Механика

Взрывы и землетрясения в лабораториях

Взрыв - это мгновенное повышение давления и температуры вследствие быстрого протекания химической или ядерной реакции. При взрыве мгновенно выделяется большое количество энергии и образуются газы, что и приводит к повышению давления и температуры. Мы привыкли к тому, что взрыв разрушает. Теперь мы знаем, что взрыв может приносить и пользу. Он работает и в двигателях внутреннего сгорания, применяется для штамповки сложных по форме деталей.

Взрыв служит и для научных исследований при очень высоких (до сотен гигапаскалей) давлениях. Оказалось, что если смеси веществ в ампулах обжимают взрывом, то между этими веществами наблюдаются быстрые реакции, которые в обычных условиях вообще не происходят или же идут очень медленно. Предполагают, что в таких случаях при взрывном обжатии ударной волной реагирующие вещества переходят в квазижидкое (пластическое, текучее) состояние. При этом вся смесь отлично перемешивается и быстро реагирует. Таким способом получены феррит цинка, карбид титана и многие другие соединения.

Теперь с помощью взрыва достигают давлений 1000 ГПа (10¹² Па). Повышение давления длится миллионные доли секунды, но и за это время в веществах происходят существенные изменения. Так, например, при сжатии окиси неодима из мелкодисперсного порошка за микросекунды успевают вырасти монокристаллы. Скорость роста доходит до сотен метров в секунду.

Прохождение ударных волн через вещество может вызвать глубокие изменения структуры. Удалось, например, на основе двуокиси титана приготовить катализаторы, обжатие которых повышает их активность в сотни раз.

Поскольку при динамическом сжатии давление и температура изменяются в миллионы раз быстрее, чем при статическом сжатии, можно значительно скорее "заморозить" полученные вещества, т. е. сохранить при обычных условиях новые модификации, образовавшиеся при взрыве. Известно, что двуокись углерода отличается от двуокиси кремния тем, что у углерода в пространстве два ближайших соседа кислорода (координационное число 2), а у кремния четыре. Поэтому двуокись кремния - прочный и тугоплавкий кристалл, а СО₂ - газ. Если бы удалось давлением повысить координационное число углерода до четырех, СО₂ стал бы легким изоляционным материалом.

Подобным же образом можно было бы превратить кислород в твердое тело или труднолетучую жидкость. Первые удачные опыты по полимеризации кислорода уже проведены. При сжатии вещество сильно изменяется, потому что к нему подводят энергию. Подсчитано, что сжатие 1 см³ вещества до 100 МПа (10⁸ Па) эквивалентно нагреву на 13°С. В веществе концентрируется энергия без повышения температуры.

Сейчас ударные волны в твердых телах создают, "выстреливая" в образец твердый ударник. В месте соприкосновения возникает ударная волна, движение которой в образце и вызывает сильнейшее сжатие и нагрев образца. Для достижения высоких давлений ударник должен лететь со скоростью порядка 10-15 км/с. При этом удается достичь мгновенных давлений порядка 300 ГПа. Подвергнутые таким давлениям вещества уплотняются: свинец, например, в 3,3 раза, железо в 2,5 раза.

Но если при повышении температуры тела расширяются, плавятся и испаряются, то при повышении давления, наоборот, пары конденсируются, жидкости затвердевают. В этом случае давление действует противоположно температуре.

Более того, при сжатии вещества до очень высоких давлений настолько увеличивается вязкость среды, что этим сводится на нет высокий энергетический уровень сжатого вещества, тормозятся процессы, которые могли бы протекать в таком сильно сжатом веществе (вспомним процесс синтеза алмаза, который не идет при низкой температуре).

Чтобы "растормозить" процессы, не нагревая вещество, сжатое до высоких давлений, к нему прилагают силу сдвига. Для этого обойму, в которой находится сжатое вещество, поворачивают между наковальнями.

При этом в веществе происходят процессы, сходные с теми, которые идут в земной коре при землетрясениях. При сильном трении, вызванном поворотом, сдвигаются слои сильно сжатого вещества. Есть соединения, которые разрушаются, некоторые со взрывом. Протекают реакции, в обычных условиях не идущие. Многие соединения меняют свой цвет, например бесцветный фенолфталеин становится красным. Исследование этих явлений позволяет получить новые данные о строении вещества.