Почему невозможно создать материал с идеальными свойствами?

Для вас вряд ли станет новостью, что любой материал состоит из атомов и имеет собственную структуру. Структура — это расположение атомов внутри материала. Оно может быть упорядоченным, а может и не очень. Но нас сейчас интересует именно правильная конструкция, которая характерна для множества кристаллических тел в твёрдом агрегатном состоянии. Это подразумевает, что атомы расположены стандартным образом и представить эту картину можно как некоторую объемную клетку, где на пересечении прутьев будут частицы. Получается так называемая кристаллическая решетка.

Физика материалов описывает поведение системы посредством связи структуры и свойств. Например, если у материала высокое электрическое сопротивление, то это значит, что решетка не способствует проведению тока и не располагает большим количеством электронного газа. Если материал внезапно ломается, то это растрескивание тоже связывается с расположением атомов и наличием несовершенства конструкции. Все физические и механические свойства в итоге сводятся к проблемам атомной структуры или существованию дефектов. Это не означает, что материал с идеальной структурой будет сверхпрочным (и обладать прочими великолепными качествами), но свойства его будут выгодно отличаться от аналогов с неравновесной структурой.

Если вся проблема материи в дефектах, то почему нельзя приложить усилия и получить идеальный материал? Удивительно, но сама физика «запрещает» это сделать. Начиная с мельчайших частиц материи, вся система всегда будет получаться дефективной и так работает природа. Для понимания проблемы нам достаточно сейчас рассмотреть уровень атомов.

Проблема абсолюта в природе

В физике нет того, что является абсолютом. Вспомните, например, абсолютное пространство Ньютона. Оно в итоге переросло в пространство Эйнштейна, где есть выпуклости, вогнутости и искажения. Или обратитесь к идее абсолютного вакуума.

Абсолютный вакуум представляет некоторую идеализацию, в которой нет вообще ничего. Но физика «не терпит пустоты». В любом вакууме что-то да будет. Теоретически, конечно, можно полагать, что мы каким-то образом смогли отфильтровать всю материю из этого вакуума, но при всём при этом мы никогда не сможем исключить флуктуации поля, которые тоже всегда присутствуют и не будут пустотой. Вакуум состоит из какого-то бульона, который постоянно кипит.

Перенося это на природу материалов, мы можем сказать, что никакой «абсолютно идеальной структуры» существовать просто не может. Мы можем выделить ряд причин, которые на это влияют.

Кратко про формирование материала

Один из первых факторов формирования материи — это тепловое движение частичек. Даже при достижении температур, близких к абсолютному нулю, частицы будут двигаться и пульсировать. Частицы находятся в непрерывном тепловом движении и это часть их природы. Это движения заставляет атомы вступать в постоянные взаимодействия, что потенциально способно влиять на правильность расположения и разрушать идеальные конструкции.

Второй момент — это взаимодействие между частицами. Мы сказали, что частицы постоянно перемещаются. Упростим процесс и представим, что в какой-то момент два атома оказались близко друг к другу. Они начинают испытывать взаимное электростатическое притяжение. Работает и гравитация, но в значительно меньших степенях. Частицы сближаются до тех пор, пока не начнёт действовать кулоновское отталкивание и внешняя электронная оболочка одного атома не начнёт отталкивать оболочку другого атома.

Система уравновесится таким образом, что атомы окажутся на некотором характерном расстоянии друг от друга. Предположим, что эта конструкция окажется рядом с ещё одним атомом. Принцип продолжит работать, но теперь баланс сил должен сформироваться уже между тремя частицами. В дальнейшем аналогичным образом добавится ещё и четвертая частица. Процесс будет продолжаться, пока атомам это энергетически выгодно и нет каких-то сторонних мешающих факторов.

Взаимное расположение атомов сформирует некоторую конструкцию, которая будет называться кристаллической решеткой. При этом пока система формируется, например, в абсолютно благоприятных условиях, всё определяется лишь наличием энергии для появления связей и баланс сил делает конструкцию правильной. Расстояния между атомами идеальные, а их количество на единицу объема совпадает. И всё было бы хорошо, если бы в природе было что-то абсолютное.

Физические причины появления дефектов

Дело происходит во Вселенной. Никакой пустоты там нет, а ещё есть внешние воздействия, магнитные поля, солнечный ветер и множество всяких факторов. Постоянно будет происходить какое-то взаимодействие. Шаткое равновесие в формирующейся системе будет нарушено, и образуется новая конструкция.

Если в идеальных условиях система предполагала 4 атома на единицу объема, то тут получится, что в 500 случаях решетка формируется правильно, а в 501 — будет 5 атомов. Это потенциальный дефект, который перераспределяет силы в системе. В дальнейшем это будет, например, дислокацией. Дислокация — это линейный дефект, который описывается недостатком одного атома в слое, что уменьшает прочность.

Представьте себе простой пример. Есть чистое поле, в котором растёт сосна. В идеальных условиях она растёт большой и пушистой. Ей хватает света и питательных веществ. Но есть и другая сосна, которая растёт в условиях леса. Сначала ей не хватает света и она тянется к небу, сбрасывая пушистые ветки. Потом на неё влияют другие деревья и мешают ей формировать крону. Приходится конкурировать и изгибаться. Ну, а потом часть леса обсыпалась, так как промыло грунт родником и сосна зацепилась за край обрыва. На стволе второй сосны скажутся все факторы и она будет выглядеть совсем не так, как сосна с поля. Всё это влияние внешних факторов.

На процесс формирования атомных решёток также оказывают влияние самые разные внешние факторы и это приводит к тому, что формируются дефекты разного типа. Где-то присоединился внешний атом, где-то соединились два блока из разного количества атомов. Где-то оказала влияние комета, которая пролетала мимо. Система всегда живая и не статична. Идеальные картинки и модели возможны только в книгах.

Описанная логика разбирается на примере кристаллических материалов. Такая структура характерна для многих металлов. Но подход уместен при обсуждении любого из типа материалов, поскольку, например, полимеры тоже оказываются в аналогичной ситуации.