Тонкие пленки

Проф. Г. И. ПОКРОВСКИЙ

Открытия и усовершенствования в областях, имеющих казалось бы второстепенное значение, могут привести иногда к техническому перевороту грандиозного масштаба. При этом наука приходит часто к совершенно неожиданным результатам. Возьмем, например, такую малоизвестную широкому кругу читателей область, как физика тонких пленок. Попытаемся показать, какие заманчивые перспективы может открыть перед нами развитие этой науки.

С первого взгляда может казаться, что свойства вещества твердых тел не зависят от размера этих тел. Можно предположить, например, что плотность, электропроводность, сопротивление разрыву какого-нибудь металла не зависят от того, имеем ли мы дело с этим металлом в виде толстой балки или тонкой проволоки. В известных пределах это действительно так.

Однако, если мы будем переходить к достаточно тонким нитям и пленкам, то общеизвестные нам свойства вещества начнут существенно видоизменяться. При этом, как показывают различные исследования, прочность вещества при уменьшении толщины пленки возрастает иногда в очень большой степени. Если мы вместо толстого стального листа возьмем соответствующее число тончайших пленок, то они будут оказывать значительно большее сопротивление разрыву (но не изгибу или смятию!). Такой же результат получится, если металлический прут заменить пучком тончайших проволок, имеющих в сумме сечение, равное сечению прута.

Дальнейшее исследование и применение этого замечательного свойства тонких пленок обещают нам совершенно новые технические возможности.

*

Остановимся сначала на простейших случаях. Возьмем для примера книжное дело. Размер, вес и объем книги с определенным числом печатных знаков и иллюстраций зависят от двух обстоятельств — от размера шрифта и толщины бумаги.

Толщина бумаги современных изданий равна примерно 0,1 миллиметра. Но такая толщина вовсе не нужна. Для того чтобы пленка из какого-либо вещества была непрозрачна и позволяла бы наносить на нее буквы, необходимо, чтобы толщина ее была не менее 0,0005 миллиметра. Если бы удалось подобной пленке (или несколько более толстой) придать достаточную механическую прочность, объем книги уменьшился бы в 200 раз. Таким образом, всю Большую советскую энциклопедию можно было бы без труда носить в кармане и в соответствующее число раз уменьшить объем книгохранилищ, архивов и т. п.

Помимо этого можно, конечно, уменьшить и размеры шрифта, если для его удобного чтения будут сконструированы соответствующие оптические приборы. Это еще во много раз сократит объем наших книг, занимающих сейчас много места.

*

Задача тоже не слишком сложная и уже в известной степени разрешенная — это тонкослойная электроизоляция проводов. Провода покрываются, например, тонким слоем специального лака. Это создает вполне надежную изоляцию. Еще лучшие результаты получаются, когда металлический проводник подвергается предварительному окислению. При этом он покрывается тончайшей пленкой окисла, представляющую собой электроизоляцию весьма высокого качества.

Тонкослойная изоляция отличается значительными преимуществами. Пленки окислов, покрывающие проводники, обладают большой устойчивостью даже при высоких температурах. Это делает тонкослойную изоляцию безопасной в пожарном отношении. Кроме того она имеет очень малую толщину. Поэтому размеры всех обмоток в различных электрических машинах могут быть сделаны значительно меньше обычно применяющихся, — чрезвычайно важное обстоятельство. Так, уменьшение размеров электромоторов позволяет понизить центр тяжести и уменьшить вес электровозов, трамваев, троллейбусов. Это придаст им большую устойчивость и удешевит эксплуатацию.

Переход на тонкослойную лаковую и особенно оксидную изоляцию — одна из задач электротехники ближайших десятилетий.

*

Перейдем теперь к проблемам, гораздо менее продвинутым, но более смелым и радикально меняющим наши обычные представления. Рассмотрим некоторые вопросы строительной механики.

Строительная механика заимствовала пока немного из последних достижений физики. Было бы, однако, неправильным считать, что физика в принципе может быть здесь мало полезной. Возьмем, например, такой случай. Известно, что во всякой конструкции, будь то самолет или здание, имеются одни элементы, сопротивляющиеся силам растяжения, или, как принято говорить, работающие на растяжение, а другие — сопротивляющиеся силам сжатия, или работающие на сжатие. Элементы, испытывающие растяжение, могут быть сделаны очень легкими, если применен материал достаточно высокого качества. Примером может служить хотя бы велосипедное колесо, где спицы работают лишь на растяжение, и поэтому могут быть сделаны очень тонкими. Иначе дело обстоит, если какая-либо часть конструкции работает на сжатие. Простейшим примером является колонна. Здесь материал подвергается сильному сжатию, и, казалось бы, это должно увеличивать его прочность. Однако, если колонну сделать очень тонкой, то получается боковой выгиб, легко приводящий к разрушению колонны. Поэтому приходится все части, испытывающие сжатие, делать значительно более массивными, чем испытывающие растяжение. В результате вся конструкция получается достаточно тяжелой и громоздкой.

Часто для экономии дорого стоящего металла стремятся передать сжимающие усилия на более дешевые материалы, например на бетон. На этом принципе основана идея железобетона, где железо работает на растяжение, а бетон на сжатие. Но подобное решение, несмотря на его практическое удобство, нельзя считать ни вполне исчерпывающим, ни наиболее рациональным.

Вместо тяжеловесного и хрупкого бетона можно, оказывается, применить другой материал, гораздо более дешевый, легкий и общедоступный, а именно воздух (или иной газ). Колонны из воздуха могут быть весьма удобным и легким элементом строительной конструкции. Устроены они могут быть следующим образом. Из тонкослойного металла, хорошо сопротивляющегося разрывным усилиям, изготовляется цилиндр, соответствующий по высоте колонне.

Сложная опора, собранная из отдельных секций, наполненных сжатым воздухом.

Этот цилиндр закрывается наглухо с обеих сторон крышками и заполняется воздухом под большим давлением. Давление расправляет и растягивает стенки воздушной колонны и препятствует их изгибу или смятию. В то же время воздух растягивает колонну в вертикальном направлении. При этом давление можно подобрать так, чтобы оно было равно величине нагрузки, сжимающей колонну. Таким путем металл оболочки освобождается практически от всех сжимающих или растягивающих его в вертикальном направлении напряжений, и вся нагрузка, воспринимаемая колонной, лежит на сжатом воздухе. Такая колонна получается очень легкой.

Если техника ближайшего будущего сможет обеспечить изготовление прочных и безусловно газонепроницаемых пленок, то подобные конструкции будут, несомненно, иметь значительный успех и решать многие сложнейшие задачи строительной индустрии. Особенно велик будет этот успех, если удастся изготовлять достаточно гибкие и вместе с тем нерастяжимые пленки. Тогда можно будет легко собирать и разбирать самые различные конструкции — мосты, самолеты, корабли, накачивая воздух в соответствующие элементы при сборке или выпуская воздух при разборке.

Из тонких пленок и колонн, наполненных сжатым воздухом, можно строить самые причудливые и красивые здания. Вот, например, круглый зал очень больших размеров.

Таким же путем можно будет осуществить весьма легкие перекрытия, купола и т. п. Если отдельные строительные элементы будут иметь большой внутренними объем, то их можно будет заполнять водородом или гелием. В отдельных случаях это приведет к полной невесомости конструкции. Тогда наше самолето- и дирижаблестроение получит еще один новый толчок к сильнейшему развитию.

Перед вами фантастический рисунок, изображающий перспективный разрез дворца физкультуры. Дворец построен из тонких пленок и деталей, заполненных сжатым воздухом. Легкость тонкопленочных конструкций позволяет применять очень смелые решения. В данном случае башня висит на мембране, образующей слегка провисающий конический потолок центрального зала. Портик, окружающий главный зал, состоит из тонких колонн и арок, работающих на растяжение. На рисунке показан также и грунт с двумя тоннелями метро и группой тоннелей для технических целей. Масштаб сооружения виден по стоящим слева автомашинам. На верхнюю площадку башни совершают посадку два автожира. Рисунок проф. Г. И. ПОКРОВСКОГО

*

Строительные материалы, если они не являются частью несущей конструкции, преследуют обычно две цели. Они должны обеспечить изоляцию тепла в здании и обладать малой звукопроницаемостью.

Надо сказать, что употребляемые в настоящее время строительные материалы нецелесообразны с точки зрения физики. Действительно, для получения легкости и малой теплопроводности мы вынуждены пользоваться пористыми телами. Всякие камни, кирпичи, бетон, дерево, штукатурка имеют те или иные поры, сообщающиеся с окружающим воздухом. Это, однако, крайне неудобно, потому что в поры проникает атмосферная влага, микроорганизмы и другие физикохимические факторы, разрушающие постепенно материал.

Так выглядит схематический разрез обычного строительного материала (верхний рисунок). 

А вот схематический разрез твердой пены (нижний рисунок). Видны разобщенные друг от друга ячейки.

Всех этих недостатков можно избегнуть, если изготовить стройматериалы с искусственной структурой. Удобнее всего в этом случае окажутся так называемые твердые пены. Твердая пена представляет собою тело, состоящее из множества отдельных ячеек-пузырьков, разделенных тончайшими твердыми пленками и заполненных каким-либо газом. Такая твердая пена обладает ничтожной теплопроводностью и столь же малой звукопроницаемостью. Чем меньше ячейки и чем тоньше их стенки, тем более совершенный строительный материал представляет собою такая система.

Если твердую пену изготовить из легкого металла вроде алюминия, его сплавов, магния или бериллия, то при размере ячеек в 1 миллиметр и толщине стенок в 0,001 миллиметра можно было бы сделать такой материал невесомым. Для этого нужно заполнить ячейки водородом или гелием. При дальнейшем уменьшении толщины пленок, например до 0,0001 миллиметра, что теоретически вполне возможно, мы получим летающие материалы, из которых можно делать дирижабли, так же как из пробки поплавки.

Твердая пена обладает еще и тем достоинством, что все ее поры разобщены друг от друга. Поэтому внутрь ее не может проникнуть никакой разрушающий элемент из окружающего воздуха. Даже всякое механическое воздействие не может повредить толщи такой системы. Вообще твердая пена должна быть абсолютно упругой, как упруг заполняющий ее поры газ.

Если пена заполнена газом высокого давления, то она выдержит значительные нагрузки. Ею можно заполнить, например, автомобильные шины, которые не будут бояться повреждений и не будут требовать накачивания воздуха.

*

Твердую пену можно сделать прекрасным теплоизоляционным материалом. Для этого ее нужно только заполнить каким-нибудь разреженным газом. Короче говоря, она будет состоять из отдельных, практически совсем пустых ячеек.

Впрочем такая «вакуумная пена» (от слова вакуум — пустота) сама по себе была бы сжата давлением атмосферы, и отдельные ячейки ее были бы раздавлены. Поэтому вакуумная пена может быть осуществлена только между жесткими стенками. Если, например, сделать сосуд с двойными стенками и все пространство между ними заполнить вакуумной пеной, то мы получим сосуд, способный сохранять тепло или холод во много раз лучше, чем современные термосы. В термосах также, как известно, употребляются сосуды с двойными стенками, откуда выкачен воздух. Однако при этом возможна теплопередача при помощи излучения. В случае же вакуумной пены излучение будет поглощаться множеством тонких пленок.

Если сделать сосуд с двойными стенками и все пространство между ними заполнить вакуумной пеной, то такой сосуд будет хорошо сохранять тепло. Таким путем можно построить огромное теплохранилище, поместив его в горах и изолировав от тепловых потерь. Такое теплохранилище изображено на этом рисунке.

Если такую теплоизоляцию применить к сосудам значительных размеров, то окажется возможным собирать летом так или иначе нагреваемую солнцем воду и употреблять ее для отопления. Зимой же можно было бы собирать охлажденный рассол для охлаждения в летнее время жилищ и холодильников. Более того, вакуумной пеной можно будет изолировать трубопроводы достаточной длины, по которым будут подаваться теплая вода из экваториальных стран для отопления Арктики и холодный рассол из Арктики для охлаждения тропиков. Таким образом достаточно развитая теплоизоляция поставит вопрос о топливном и холодильном хозяйстве земного шара в целом.

Вакуумной пеной можно будет изолировать трубопроводы достаточной длины, по которым будут подаваться теплая пода из экваториальных стран для отопления Арктики и холодный рассол из полярных стран для охлаждения тропиков.

Хорошая тепловая изоляция труб позволит превратить земной шар в огромную паровую машину, работающую водяным паром или иным веществом, например аммиаком.

Для этой цели в тропиках надо закрасить довольно большие территории в черный цвет. Благодаря этому они будут поглощать максимум солнечного излучения и сильно нагреваться. Нагревание это можно увеличить, покрыв землю прозрачной пленкой, пропускающей солнечное излучение, но не пропускающей тепловых лучей, которые испускает нагретая почва (такой прием известен в гелиотехнике). Здесь устанавливаются котлы, дающие пар. Этот пар подается по изоляционным трубам в места потребления энергии, где устанавливаются турбины.

Земной шар можно превратить в гигантскую паровую машину. Для этого в тропиках надо закрасить большие территории в черный цвет. Тогда они будут поглощать максимум солнечного излучения и сильно нагреваться. Нагревание можно увеличить, покрыв землю прозрачной пленкой, пропускающей солнечное излучение, но не пропускающей тепловых лучей. Здесь же устанавливаются котлы, дающие пар.

Отработанный пар проводится далее в арктические районы, где размещаются холодильники. Холодильники покрываются пленкой, отражающей солнечные лучи и возможно лучше пропускающей тепловое излучение самого холодильника. Впрочем холодильники можно охлаждать также воздухом, засасываемым из стратосферы при помощи труб, поднятых на высоких башнях или на аэростатах на высоту в 10 километров.

Хорошая теплоизоляция позволит также охлаждать без особых затрат энергии электропровода до весьма низких температур. Такое охлаждение можно производить, например, жидким водородом, окружив проводник изолирующим слоем из вакуумной пены. Как известно, при очень низких температурах металлы получают свойство сверхпроводимости. Они пропускают электрический ток практически без малейшего сопротивления.

Хорошая теплоизоляция позволит охлаждать без особых затрат энергии электропровода до весьма низких температур. А при очень низких температурах металлы получают свойство сверхпроводимости: они пропускают электрический ток практически без малейшего сопротивления. Вот такой сверхпроводник низкой температуры изображен на этом рисунке.

Схематически это интереснейшее свойство можно истолковать следующим образом. Электрическая сила при низких температурах может растягивать электронные орбиты в замкнутом проводнике до размеров всего проводника. Ток осуществляется тогда за счет движения электронов по этим орбитам, а атомы металла как бы растягиваются до размеров замкнутого кольца проводника. Таким образом возможно передавать электроэнергию на громадные расстояния без особых потерь. При этом отпадают необходимость в высоковольтных установках и связанные с ними затруднения, ибо проводники практически не оказывают никакого сопротивления.

Теоретически возможно представить себе атомы, как бы растянутые в электропередачах на тысячи километров. При этом электронные орбиты служат приводным ремнем, получая энергию на электростанции и отдавая ее потребителю в соответствующим образом охлажденном электромоторе.

На магистрали сверхпроводников низкой температуры будут установлены промежуточные охлаждающие станции. Здесь испаряющийся в трубчатом проводнике водород приводит в действие компрессор холодильной установки, которая вновь превращает водород в жидкое состояние Дополнительная мощность берется от электромотора.

*

Тонкая упругая пленка, сделанная, например, из металла, прогибается под действием равномерного давления и принимает шарообразную форму. Представим себе, что мы имеем какую-либо замкнутую камеру в виде плоского барабана. С одной стороны этого барабана натянута на круглую раму тонкая, хорошо отражающая свет пленка. Если понизить теперь давление воздуха в камере, то пленка прогнется, и получится вогнутое зеркало.

Раму можно сделать весьма больших размеров. Соответствующие размеры будет иметь и зеркало. Меняя давление в камере, можно менять кривизну зеркала и его фокусное расстояние. Как известно, обычные методы не дают возможности изготовлять очень большие зеркала. Поэтому описанный здесь способ откроет совершенно новые перспективы перед оптической техникой.

Представим себе, что мы имеем какую-либо замкнутую камеру в виде плоского барабана. С одной стороны этого барабана на круглую раму натянута тонкая хорошо полированная пленка. Если понизить теперь давление воздуха в камере, то пленка вогнется и получится вогнутое зеркало.

Мы сможем тогда построить рефлекторы для наблюдения планет и звезд с громадным увеличением. Это позволит нам более детально изучить свойства поверхности планет и Солнца, что приблизит идею звездоплавания к ее практическому осуществлению.

Громадные сферические зеркала дадут нам возможность концентрировать значительную энергию солнечных лучей в малом объеме и получить таким образом весьма высокие температуры. А это в свою очередь разрешит практически вопрос о создании солнечного двигателя с высоким коэффициентом полезного действия.

Тонкая пленка или система пленок, изгибаясь и принимая цилиндрическую или шарообразную форму, могут, несмотря на свою незначительную массу, выдерживать громадное давление. Поэтому из весьма тонких стальных листов можно изготовить громадные плотины, имеющие форму парусов. Верхний край плотины поддерживается поплавками на поверхности воды, а нижний прикреплен ко дну водоема. Поплавки при этом удерживаются якорными канатами, оттянутыми в сторону.

Такие плотины можно расположить в различных частях океанов и морей, особенно около мысов, проливов, островов. Такие плотины будут регулировать морские течения с большой легкостью. Возможно даже представить себе периодическое перемещение этих парусных плотин.

Тонкая пленка, изгибаясь и принимая цилиндрическую или шарообразную форму, может выдерживать громадное давление. Поэтому из весьма тонких стальных листов можно изготовить гигантские плотины, имеющие форму парусов. Верхний край плотины поддерживается поплавками па поверхности воды, а нижний прикреплен ко дну водоема. Поплавки при этом удерживаются якорными канатами.

Регулирование течений в океанах будет в сильной степени влиять на климат различных частей земного шара. Можно таким образом превратить океаны в своеобразное водяное отопление земного шара, направляя теплые воды из тропиков в Арктику вдоль берегов континентов и спуская холодную воду из Арктики в тропики вдали от берегов. Если добавить к этому еще возможность регулировать нагревание различных частей суши путем их окраски и покрытия пленками, о чем уже говорилось выше, то нетрудно сообразить, сколь значительное влияние на климат можно получить, применяя в различных формах тонкие пленки.

Но кроме твердых пленок возможны также и жидкие. Технические приложения их также весьма многообразны. Например, покрывая воду тонкой пленкой из нелетучего масла, можно остановить ее испарение. В результате этого вода будет, во-первых, не теряться на испарение и, во-вторых, нагреваться в большей степени, чем обычно. Это средство также может быть полезно при управлении климатом.

*

Рассмотренные примеры замечательного свойства тонких пленок ни в какой степени не исчерпывают всех возможностей их технического применения. Достаточно указать на огромную роль пленок в окраске, в предохранении материалов, и особенно металлов, от разрушения, на роль жидких и газообразных пленок в качестве смазки машин и при обработке различных материалов, чтобы понять, какое необычайное будущее готовит нам такая казалось бы весьма узкая и специальная область, как физика пленок.

Однако для этого необходимо всемерно развивать конкретное мышление, способность видеть в малой детали грандиозные проблемы будущего. Можно полагать, что это требование конкретности приведет нас в дальнейшем к совершенно новым формам работы инженера, изобретателя, научного работника. Так например, инженер-конструктор будет рядом с чертежным столом иметь набор небольших станочков, на которых можно будет быстро изготовить модель той или иной конструкции и испытать ее в различных условиях.

Уже теперь известны разнообразнейшие способы изучать на моделях работу электростанций, гидросооружений, металлических конструкций и их отдельных деталей, вплоть до последней заклепки. Электрические, оптические и гидравлические методы позволяют вскрывать внутреннюю игру сил в моделях конструкций и определить скорость и распределение деформации. Применение центробежной силы дает возможность исследовать на моделях влияние веса материала на прочность конструкций. Таким образом имеется обширный арсенал средств, которые позволяют быстро и легко, не на бумаге, а в действительности, нащупать свойства любого аппарата, сооружения или установки. Нужно надеяться, что эти средства с каждым днем будут все больше и больше помогать инженеру мыслить не только линиями на чертеже или формулами, а видеть и чувствовать за ними многообразную, сложную, противоречивую, но бесконечно плодотворную действительность.