Разве не чудо — тонкая зеркальная полоска металлического стекла или аморфного металла, не имеющего кристаллической решетки, одновременно гибкая и прочная, не поддающаяся даже кислотной коррозии, обладающая высокой магнитной проницаемостью. Использование металла в такой форме способно в десятки раз облегчить любой громоздкий агрегат. У специалистов на слуху — многократно уменьшенный и легкий сварочный трансформатор, заменивший неподъемную 60-килограммовую махину. Причина кардинального преобразования — использование аморфного металла.
Металлические стекла применяются в устройствах, работающих в агрессивной среде, из них изготавливаются емкости для хранения кислот и щелочей, корпуса космических кораблей. В 60-е годы были получены объемные аморфные металлы. Пуля из такого состава пробивает 20-сантиметровую броню. Понятно, что все новейшие разработки по данной тематике становятся достоянием космической и военной промышленности и приобретают гриф секретности. Уже в советское время исследования заказывали и использовали два министерства — Минавиапром и Минсредмаш.
Как из обычного кристаллического металла получить аморфный? Оказывается, «легко» — нужно расплавить металл, а затем охладить его со скоростью миллион градусов в секунду. При таком резком охлаждении кристаллическая решетка просто не успевает вырасти, образуется металлическое стекло. Полученные опытным путем новые составы обладают уникальными свойствами и нуждаются в тщательном исследовании. И даже у известных металлов не все свойства изучены.
В России существует единственный центр, способный изучать пять различных свойств металлов и сплавов, в том числе аморфных, в температурном интервале до 2000 градусов Цельсия. И этот центр, заслуживший международное и всероссийское признание, находится в Уральском государственном педагогическом университете, на первом этаже института физики, технологии и экономики.
Научно-исследовательский центр «Расплав» существует в УрГПУ с 1995 года, уже более 20 лет. Его основателем по праву считается доктор физико-математических наук, профессор Петр Станиславович Попель, который в 1987 году пришел в педуниверситет из УПИ и продолжил заниматься наукой на новом месте. Постепенно сложилась научная школа «Исследования и расчет физико-химических свойств металлов и сплавов. Статистическая физика стеклующихся систем».
Профессора Валерий Сидоров и Леонид Сон: вот так выглядит лента из металлического стекла.
Сегодня в центре под руководством заведующего кафедрой физики и математического моделирования УрГПУ, доктора физико-математических наук, профессора Валерия Евгеньевича Сидорова ведется исследование свойств сплавов на основе железа, алюминия и олова. Сплавы на основе магния изучает Петр Станиславович Попель. Профессор, доктор физико-математических наук Леонид Дмитриевич Сон анализирует неоднородности, возникающие в жидких сплавах, выстраивает математические модели полученных металлов. Проводят свои исследования доценты Александр Аделевич Сабирзянов и Николай Николаевич Катков, аспирант Виталий Александрович Михайлов, студенты 4-го и 3-го курсов.
В 2014 году научный коллектив НИЦ «Расплав» вошел в число победителей конкурсного отбора научных проектов и получил грант Министерства образования и науки РФ в размере 15 миллионов рублей. Сегодня в центре проведен капитальный ремонт, заменены и модернизированы узлы установок для измерения свойств металлов.
Об этих экспериментальных компьютеризированных приборах стоит рассказать подробнее. Все они изобретены и собраны в центре руками ученых педвуза. Гамма-плотномер напоминает известного персонажа из «Пятого элемента» — его опутывают десятки труб и трубочек. Сердцем прибора является емкость с радиоактивным источником гамма-излучения — цезием-137, окруженная свинцовыми блоками. Из-за своей уникальности установка стоит в отдельном помещении, и на ее использование требуется специальное разрешение Ростехнадзора.
Установка № 1. Рядом с гамма-плотномером — зав. лабораторией Владимир Семериков
«Внутри печи размещаем молибденовый электрический нагреватель с прорезями для того, чтобы пучок излучения от источника проходил сквозь расплав. Детектором считываем число импульсов, которые прошли через образец, и по известной зависимости можем определить плотность вещества, которое мы исследуем», — бойко объясняет суть методики измерения студент 4 курса ИФТиЭ Борис Русанов. — Эксперимент проходит при нагревании и охлаждении сплава«. Борис не только хорошо рассказывает об эксперименте, он проводит исследования, и он же своими руками модернизирует установку. «Смотрите, как стало красиво!» — восхищается Валерий Евгеньевич, показывая переплетение шлангов системы охлаждения и камеру обычного футбольного мяча, используемую для сброса избыточного давления.
Установка для измерения скорости ультразвука в расплавах позволяет судить о качестве связи между атомами (кстати, в центре объявлен конкурс — придумавшему емкое краткое название установки обещан торт!). Вязкозиметр измеряет внутреннее трение металлов и их электропроводность. В отдельном помещении размещен магнитометр, а если точнее — установка для измерения магнитной восприимчивости сплавов.
Установка № 2. Доцент Николай Катков возле установки для измерения вязкости
Результаты исследований ученых вызывают острый интерес у коллег из России и зарубежных стран. Крупнейшая американская автомобильная корпорация General Motors внедрила технологию подготовки расплавов П. С. Попеля. Им же была проведена совместная работа по повышению качества медной катанки с Уральской горно-металлургической компанией.
Установка № 3. Установка для измерения скорости ультразвука: рядом доцент Александр Сабирзянов
В 2008 году центр был включен в международный проект по разработке высокотемпературных бессвинцовых припоев, финансируемый из средств Европейского сообщества. «Расплав» получил восемь грантов Российского фонда фундаментальных исследований, грант Австрийского научного общества. Неоднократно профессора центра приглашались для чтения лекций в лучшие вузы Европы. Совместные исследования проводились с университетами Китая, Франции, Словакии, Германии, Чехии, Австрии, США и Украины.
Ежегодно коллектив центра участвует в международных конференциях. На одной из них Леонида Дмитриевича Сона окружили радостные японские коллеги — оказывается, они опытным путем получили сплав, математическую модель которого просчитал уральский ученый. Так сошлись теория и практика.
Установка № 4. Студентка 3 курса ИФТиЭ Анастасия Палицына работает на установке для измерения магнитной восприимчивости
Впечатляющи и личные достижения сотрудников центра: П. С. Попель удостоен звания «Заслуженный деятель науки РФ», П. С. Попелю, В. Е. Сидорову, Л. Д. Сону присвоено звание «Почетный работник высшего профессионального образования РФ», в 2014 году В. Е. Сидоров был награжден премией губернатора Свердловской области «Профессор года» в области технических наук.
Есть ли у «Расплава» будущее? Несмотря на уникальность центра, исследования требуют серьезных финансовых вложений, поэтому его дальнейшая судьба зависит не только от таланта исследователей, но и от поддержки научного сообщества и ректората вуза. Ученым остается надеяться на лучшее. Что они и делают!