Глава 230 Махун-карбон
Лаборатория на острове Науки, кабинет Сяо И.
Глядя на новую карбоновую структуру, смоделированную на компьютере, Сяо И теребил подбородок, уголки его губ слегка приподнялись.
Эта новая карбоновая структура состояла в основном из трёхслойной формы, а углеродные атомы располагались аккуратно на этих трёх слоях.
Конечно, это не самое главное. Самое важное — это химические связи, которые образуются между этими атомами углерода. Они очень запутанные и сложные. В целом, три слоя атомов углерода похожи на сплетённую косу.
Благодаря такой структуре Сяо И сейчас просто назвал её «маха-углерод».
Эм… может быть, в этом и его чёрный юмор.
Если этот материал все-таки удастся создать и он станет самым важным материалом для ядерного синтеза.
Он также очень хочет знать, как люди будут понимать это имя в будущем.
Однако с другой стороны, хотя оно и выглядит как нечто вроде косички, при рассмотрении в целом становится видно, что его конечная кристаллическая структура очень упорядоченная и обладает симметрией.
А такая кристаллическая структура дает махлевому углероду свойства, которых нет у обычных структур: сверхвысокую передачу колебаний по решетке.
В твердых материалах на микроуровне температура проявляется прежде всего в колебаниях кристаллической решетки.
Атомы в твердых материалах располагаются в упорядоченную кристаллическую структуру. При повышении температуры или воздействии внешних факторов эти атомы начинают колебаться. Эти колебания могут быть квантованы в виде фононов, которые являются основными носителями тепла и звука в твердых телах.
Чем выше передатчивость колебаний кристаллической решетки, тем сильнее её теплопроводность.
В этой совершенно новой структуре, подобной маhle, её теплопроводность даже выше, чем у алмаза — самого материала с наивысшей теплопроводностью в мире — на несколько порядков.
Конечно, алмаз — это тоже бриллиант, и он также состоит из углерода. Сейчас Сяо И исследует совершенно новую структуру, которая также состоит из углерода, поэтому его сверхвысокая теплопроводность не является полностью случайностью.
Но, как он уже говорил ранее, высокая теплопроводность недостаточна, чтобы стать материалом первой стены, достаточно иметь только теплопроводность.
В случае столкновения с высокоэнергетичными частицами, как ему противостоять?
Это ещё одна особенность структуры молекул углерода.
Важно знать, что другой вид углерода, графит, сам по себе может служить замедлителем нейтронов в ядерных реакторах. Атомы углерода сталкиваются с быстрыми нейтронами, преобразуя их кинетическую энергию в тепловую и тем самым замедляя скорость нейтронов.
В структуре махлы углерода, из-за ее плотности и сложной структуры, при столкновении атомов углерода с высокоэнергетическими нейтронами поглощенная кинетическая энергия быстро передается окружающим атомам. В конечном итоге энергия этих высокоэнергетических нейтронов равномерно распределяется по всей структуре махлы. После этого внешние охлаждающие агенты вступают в действие и поглощают всю тепловую энергию.
Таким образом, высокоэнергетичным нейтронам становиться невозможным легко пробить весь первый слой материала.
— Как яйцо?
Сяо И слегка улыбнулся.
Когда стараешься сжать яйцо, его не так просто раздавить.
А главное, причина в том, что скорлупа яйца распределяет силу равномерно по всей своей поверхности.
Скорлупа яйца выдерживает силу сжатия, но не ударную силу. При падении силы действуют на ограниченную точку, и её не удаётся равномерно передать по всей скорлупе.
В то же время структура махрового углерода позволяет полностью передавать силу, приложенную к одной точке, по всей конструкции.
Конечно, даже если сжать яйцо, если сила сжатия превысит его предел прочности, то в конце концов скорлупа всё равно разлетится.
Но для макроуглерода это не проблема.
В любом случае, энергию нейтронов, генерируемую реакцией дейтерия и трития, можно рассчитать. Затем можно вычислить, сколько времени потребуется махровому углероду для поглощения всей этой энергии, а также какой объем махрового углерода сможет стабильно поглощать энергию высокоэнергетических нейтронов. Таким образом, они смогут изготавливать модульные стенки из махрового углерода, которые будут устойчиво противостоять высокоэнергетическим нейтронам длительное время.
В этом случае единственным способом разрушить структуру махрового углерода будет ситуация, когда одиночный атом углерода в течение короткого промежутка времени подвергается воздействию нескольких высокоэнергетических нейтронов. Это может привести к тому, что он не сможет быстро передать поглощенную кинетическую энергию, и в результате разрушится под действием нейтронов.
Однако вероятность такого события крайне мала. Ведь атомы не являются сплошными шарами, их внутренняя структура достаточно разрежена. В большинстве случаев нейтроны проходят сквозь поверхностный слой материала и попадают в ядра атомов, а иногда даже могут пройти прямо через весь первый барьер.
Именно поэтому на внешней стороне токарника устанавливается слой материала-защиты от нейтронов, который поглощает нейтроны, способные пробить все слои и выйти за пределы конструкции, тем самым предотвращая радиационную опасность для обслуживающего персонала.
Радиация способна вызывать рак именно потому что частицы, подобные нейтронам, проникают прямо через клетки человека и разрушают атомы внутри ДНК, приводя к прямым мутациям в генетическом материале. Если клетка не может вовремя восстановиться от повреждений ДНК с помощью защитных механизмов и продолжает делиться и размножаться, то риск развития рака возрастает.
Конечно, именно потому что нейтроны очень малы по размеру, а ядра атомов тоже достаточно малы, когда высокоэнергетические нейтроны попадают в материал первой стенки, крайне маловероятно, чтобы несколько нейтронов одновременно сталкивались с одним и тем же ядром.
Поэтому, согласно расчётам Сяо И, для установки EAST такого типа токамака достаточно будет всего 10 сантиметров толщины плетеного углеродного материала, чтобы он выдерживал эксплуатацию не менее двадцати лет.
Конечно, это в первую очередь обусловлено размерами EAST. Чем больше размер установки, тем больше высокоэнергетических нейтронов она генерирует за единицу времени при фиксированной температуре 150 миллионов градусов и новом пределе Гринвальда. Срок службы материала первой стенки главным образом определяется скоростью генерации высокоэнергетических нейтронов.
Что касается размера нынешнего EAST, то на самом деле он довольно мал, ведь это всего лишь экспериментальное оборудование для проведения технологической проверки.
Его главный радиус составляет всего 1,7 метра, а малый — 0,4 метра.
А вот ITER, строительство которого запланировано, будет гораздо больше: его главный радиус составит 6,2 метра, а малый — 2 метра. Объем плазмы в нём будет примерно в 280 раз больше, чем в EAST.
Даже ИТЕР, являясь лишь экспериментальным устройством для проверки технологий, не сможет обеспечить полноценной реализации управляемой термоядерной реакции. Если нам всё же удастся добиться успеха в этой области, то построенные нами установки будут значительно мощнее и масштабнее.
В любом случае, будь то теплопроводность или стойкость к радиационному повреждению, макроуглерод достиг пределов, которые может предложить Сяо И на данный момент.
Помимо этих двух характеристик, махровый углерод также демонстрирует высокую эффективность в других свойствах, необходимых для материалов первой линии обороны.
Можно сказать, что в ближайшее время, вне зависимости от того, как будут совершенствоваться конструкции, превзойти эту структуру не удастся.
Чтобы преодолеть это, вероятно, потребуется совершенно новая теория.
Но даже Сяо И сейчас не может придумывать такую теорию.
Ну, до этого момента первый шаг можно считать пройденным.
Выдохнув, Сяо И облокотился на спинку своего офисного кресла и сделал глоток чая.
Следующий, второй шаг — это синтез этого материала.
Это, опять же, будет невероятно сложной задачей.
Опустив чашку из рук, Сяо И вновь беспомощно качал головой. Как же можно синтезировать такую сложную структуру?
Это и есть главное затруднение в области материаловедения.
Даже зная о свойствах материалов, он не сможет избежать последующих трудностей.
Главное преимущество знания материалов — экономия на затратах.
— Хорошо, мы уже добрались до этого этапа исследования, теперь, если вдруг все бросим, будет нехорошо.
Он покачал головой и больше ничего не сказал, готовясь отправиться в лабораторию провести эксперимент.
Далее предстоял долгий путь.
Сяо И посвятил всё своё время и силы изучению метода синтеза макроугольного углерода.
В то же время, из-за важности материала он не позволял никому помогать себе, за исключением редких случаев, когда ему не хватало времени, и он просил кого-нибудь провести некоторые простые эксперименты.
Благодаря постоянному совершенствованию существующих технологий или разработке инновационных синтетических методов, путь к конечной цели — макроуглероду — был ещё очень далёк. Случайно Сяо И получил множество побочных продуктов.
Хотя подавляющее большинство побочных продуктов было бесполезно, несколько материалов всё же вызвало у Сяо И удивление.
Как будто в розыгрыше выпал не тот приз.
Хотя это не то, что он хотел, всё же можно назвать редким предметом.
Например, непредельный углеродный материал.
Непредельная форма углерода — это свободный активный уголь, который сам по себе не обладает кристаллической структурой. Его структура напоминает структуру угля, но отличается в некоторых микроскопических деталях.
Однако самое главное — он унаследовал от угля важную особенность: способность поглощать волны.
Этот материал обладает хорошей проводимостью. Поэтому, когда электромагнитные волны падают на его поверхность, проводящая сеть, образующаяся между слоями, генерирует индукционный ток. В процессе передачи тока из-за сопротивления выделяется тепло, что приводит к рассеиванию электромагнитной энергии и, следовательно, поглощению электромагнитных волн.
Кроме того, его сами по себе частицы очень мелкие и обладают большой поверхностной площадью. В композитном материале между частицами и основой существует большое количество границ раздела. Из-за эффекта релаксации, вызванного поляризацией на этих границах, материал также обладает отличной способностью поглощать электромагнитные волны.
Кроме того, у него ещё много других замечательных свойств, которые делают его превосходным материалом для поглощения электромагнитных волн.
Конечно, полностью превзойти все остальные материалы по поглощению электромагнитных волн невозможно. Ведь электромагнитные волны бывают разных категорий, и эффективность поглощения, а также полоса частот, различаются. Для каждой категории существуют материалы, которые подходят лучше всего.
Однако этот новый материал для поглощения электромагнитных волн сам по себе не является покрытием. Он может использоваться в качестве проводящей добавки и сочетаться с другими покрытиями для поглощения, тем самым повышая общую эффективность поглощения. Таким образом, с точки зрения комплексного анализа, его можно считать одним из самых эффективных материалов для поглощения электромагнитных волн.
Этот материал совершенно непригоден для исследований Сяо И, но для разработчиков истребителей он представляет настоящую находку.
Тогда Сяо И решил просто выдать экспериментальный отчет и попросить Ван Ли связаться с высшим командованием, передав его отчет специалистам военного ведомства, занимающимся разработкой материалов для поглощения волн.
Что касается названия этого материала, поскольку это была первая практическая разработка Сяо И в ходе исследования махрового углерода, он просто назвал её MHT-1.
Помимо MHT-1, естественно, существовала и MHT-2.
MHT-2 — это материал из углеродных волокон, обладающий высокой прочностью на разрыв и модулем упругости. Он в некоторой степени обладает свойствами макроволокнистого углерода и демонстрирует высокую способность поглощать энергию.
Это делает его очень подходящим материалом для брони танка, так как он демонстрирует превосходную стойкость к атакам различных обычных боеприпасов, таких как бронебойные, подкалиберные снаряды и осколочные бомбы.
Когда Сяо И создал это устройство, все были просто в шоке.
Хотя они знали, что в процессе исследований могут появиться побочные продукты, результат оказался двумя рабочими побочными продуктами, пригодными для военных целей.
Ладно, Сяо И ничего не смог по этому поводу сказать. В конце концов, он снова попросил Ван Ли передать отчет об эксперименте военным и узнать, интересуются ли соответствующие исследователи этим устройством.
Но когда появился MHT-3, Сяо И наконец вздохнул с облегчением, потому что у него наконец-то появилась технология, не предназначенная для военных.
MHT-3 Сяо И синтезировал различными методами. По структуре он наиболее близок к углеродным нанотрубам, но в отличие от них имеет три слоя. Хотя MHT-3 не так сложен, как углеродные нанотрубы, его структура обеспечивает чрезвычайно высокую подвижность носителей заряда.
Его электронная проводимость достигает 180 000 См/(В·с) и уступает только графиту. Это очень благоприятно для передачи и обработки электрических сигналов.
Кроме того, его поверхность обладает различными подвесными связями и функциональными группами, что обуславливает хорошие химические свойства.
В сочетании с другими превосходными характеристиками этот материал обладает полным потенциалом стать углеродным материалом.
В настоящее время развитие кремниевых чипов затормозилось, поскольку технологический процесс постепенно приближается к теоретическому пределу. Поиск альтернативных путей стал ещё одним важным направлением в области микроэлектроники.
МHT-3, безусловно, делает реализацию углеродных чипов надежной перспективой.
Однако Сяо И не слишком разбирается в чипах, поэтому на данный момент ему неинтересна эта тема. Даже если ему удастся что-то разработать, реализация углеродных чипов в промышленном масштабе всё ещё очень далека. Поэтому он решил подождать и спросить других специалистов в этой области, есть ли у них интерес, прежде чем принимать какие-либо решения.
В общем, на данный момент Сяо И получил три ценных побочных продукта. Два первых можно использовать сразу, а третий обладает очень широкими перспективами.
Так и прошло время, пока не наступил июнь. В это время в лабораторию научного острова прибыли несколько неожиданных гостей.
Профессор Сяо, приветствуем вас! Очень рады наконец познакомиться.
В кабинете стояла группа людей, и среди них самый старший из исследователей подошел к Сяо И, пожал ему руку и сказал:
Мы из отдела 603. Я — Чэнь Вэйдун, руководитель группы по разработке вооружений и технологий маскировки.
Мы получили ваш экспериментальный отчет, в котором говорится, что вы разработали материал-поглотитель радиоволн с диапазоном частот 1–20 ГГц, максимальным коэффициентом отражения –55 дБ и шириной полосы поглощения 11,6 ГГц, верно?
Этот пожилой исследователь прямо сказал о своём намерении.
Он пристально смотрел на Сяо И, ожидая ответа.
Сяо И хитрым образом приподнял брови, очевидно, имея в виду MHT-1.
Но как раз в тот момент, когда он собирался ответить, в дверь кто-то постучал.
Ван Хао вошёл:
— Профессор Сяо, люди из Института сухопутных войск тоже приехали.
Тогда за Ван Хао стали видны несколько человек в военной форме, смотревших внутрь.
Сяо И:
— Э… тогда давай войдём все.
Ясно, что эти новички пришли именно из-за MHT-2.
Он невольно подумал, что эти люди действуют очень быстро: ведь две экспериментальные отчётные записки были отправлены совсем недавно, а они уже пришли.