Курс на ІКР
Нещодавно сталася така історія. Один інженер займався металоплакувальним мастилом. Це звичайне мастило, в яке додано кілька відсотків тонкоподрібненого металевого порошку. У процесі роботи частинки металу осідають на поверхні, що труться, і захищають їх від зносу. Чим менший зазор між поверхнями, тим дрібнішими повинні бути частинки металу в мастилі. Виникає технічна суперечність: чим дрібніші частки металу, тим краще мастило, але тим важче його приготувати. Як би вчинили ми з вами? Перш за все, уявили б ідеальний кінцевий результат (ІКР), тобто відповіли б на запитання: що хотілося б отримати в ідеальному випадку? ІКР – фантазія, мрія. ІКР недосяжний. Але він прокладає шлях до вирішення. Який ідеальний кінцевий результат для завдання мастила? Відповісти неважко: ідеально було б подрібнити частинки металу до краю, до окремих атомів. Пропонується, як бачите, парадоксальна підказка: «Важко отримувати дрібні частинки металу? Отже, отримуватимемо над-наддрібні частинки — це набагато легше. Для наступного кроку вже потрібна хімія. Олія з великими частинками металу - це механічна завис. Якщо подрібнити частинки металу, отримаємо колоїдний розчин. Зрештою, якщо подрібнити метал до атомів або іонів, вийде справжній розчин. Тепер можна уточнити ІКР: ідеально було б мати розчин металу в олії, тобто олію, а в ній окремі атоми металу. На жаль, такий ІКР недосяжний. Ще алхіміки знали: подібне розчиняється у подібному. Олія - органічна речовина, в ньому добре розчиняються органічні речовини. А метали, на жаль, не належать до органічних речовин. На шляху до ІКР виникає фізична суперечність: атоми металу мають бути розчинені в маслі (треба прагнути ІКР!) — і не повинні бутирозчинені (не можна порушувати закони хімії!). Відступимо трохи від ІКР: нехай в маслі будуть розчинені не атоми, а молекули, що містять метал. Ми використовували вже знайомий вам прийом «зробити трохи менше, ніж потрібно»: не вдається подрібнити речовину до атомів, гаразд, нехай частинки речовини будуть трохи більшими — не атоми, а молекули. І протиріччя одразу зникає. У маслі немає атомів металу (є молекули) — і маслі є атоми металу (вони входять у молекули, «заховані» них). Залишається вирішити одне питання: які саме молекули взяти? Тут єдина та очевидна можливість. Молекули повинні містити метал і бути органічними. Отже, потрібно взяти металоорганічну сполуку. Воно легко розчиниться в маслі (органічна речовина легко розчиняється в органічній речовині) і міститиме атоми металу. Щоб вирішити завдання, довелося використовувати кілька простих прийомів (ІКР, фізична суперечність, прийом «зробити трохи менше необхідного») і одне дуже просте правило з хімії (подібне розчиняється в подібному). Щоправда, завдання ще не вирішено до кінця. Молекули металоорганічної речовини містять атоми металу, але нам потрібно, щоб атоми металу були не в поєднанні, а окремо. Тут знову доведеться пригадати хімію. Щоб атом металу виділився із молекули, молекулу треба розкласти. Як це зробити? На уроках хімії ви ставили такі досліди: нагрівали речовину і за певної температури вона розкладалася. Олія в процесі роботи нагрівається від тертя. Якщо ми візьмемо металоорганічну речовину, що розкладається при підвищенні температури, завдання буде вирішено повністю. А тепер подивимося, як вирішувалося це завдання насправді. Інженер спочатку шукав рішення методом спроб і помилок. Він пробував різні способи подрібнення металів, ставивДосліди намагалися знайти рішення в літературі. Минали роки, і ось одного разу в книгарні інженер почув, як хтось із покупців попросив продавця дати йому довідник із металоорганічних сполук. Інженер замислився. Металоорганічні речовини включають метал - раз; вони - органічні речовини, отже, розчиняються в олії - дві. Але саме таке поєднання і потрібно! Інженер купив довідник, погортав його і відразу знайшов відповідну речовину — кадмієву сіль оцтової кислоти. У розповідях про винаходи часто наводяться такі випадки. Вони типові під час роботи методом спроб і помилок. Людина шукає рішення навмання і навіть не здогадується, що завдання можна підійти науково: сформулювати ІКР, визначити фізичне протиріччя. Завдання не піддається, і людина намагається використати все, що вона бачить чи чує. Добре, що хтось попросив у магазині довідник з металоорганічних речовин. Якби не ця випадкова підказка, хто знає, скільки ще років тривали пошуки. У попередньому розділі ми сформулювали прийом: «Якщо в якусь речовину треба ввести добавку іншої речовини, але з якихось причин цього не можна зробити, слід використовувати як добавку наявну речовину, трохи її змінивши». Що означає «трохи змінивши»? Зміни можуть бути фізичні: нагріти, охолодити, взяти речовину в іншому агрегатному стані і т.д. потім, коли він зіграє свою роль, перевести його в хімічну сполуку. Наведу ще один цікавий приклад використання цього прийому. Кристали окису алюмінію вирощують із дуже чистого розплаву. Не можна навіть плавити окис алюмінію в платиновому тиглі: до розплаву можуть потрапитиатоми платини. По суті, це винахідницьке завдання з чітким фізичним протиріччям: посудина повинна бути, щоб розплав не розлився, і судини не повинно бути, щоб розплав не забруднився. Доведеться плавити окис алюмінію. окису алюмінію. Візьмемо будь-яку посудину, наповнену окисом алюмінію, і нагріватимемо окис так, щоб розплавилася тільки центральна частина. Вийде розплав окису алюмінію в «тиглі» з твердого окису алюмінію. Для нагрівання треба використовувати електромагнітну індукцію: джерело енергії при цьому не стикається з речовиною, що нагрівається. Все чудово, але твердий окис алюмінію - діелектрик, вона не проводить електричний струм. Отже, немає й електромагнітної індукції. Щоправда, розплавлений окис — провідник. Але для плавлення потрібне нагрівання, а нагрівання не буде, оскільки твердий окис — діелектрик. Із завданнями так буває часто: здолаєш одне протиріччя, виникає інше, третє. Як у бігу з перешкодами подолав один бар'єр, а за ним ще бар'єр і ще. Отже, фізична суперечність: у окис алюмінію необхідно додати шматочки металу, щоб виникала електромагнітна індукція,— і не можна додавати шматочки металу, тому що забруднення окису неприпустимо. Винахід, що дозволило подолати цю суперечність, виявилося напрочуд простим. У оксид алюмінію перед початком плавки вводять шматочки алюмінію. Алюміній добре проводить електричний струм, тому під дією індукції він швидко нагрівається сам і нагріває окис алюмінію - вона починає плавитися. Тепер алюміній не потрібен, розплавлений окис сама проводить струм. І алюміній зникає: при високій температурі він просто згоряє, перетворюючись на окис алюмінію. А окис, звичайно, не забруднює окису.