Иоффе и тонкослойная изоляция

Источник: Кокин Л., 1981 

На рубеже двадцатого столетия геттингенский профессор Давид Гильберт сформулировал основные, по его мнению, проблемы, которые предстоит разрешить математике, - тем самым он определил развитие многих ее областей на долгие годы. По сию пору крупнейшие достижения ученых- математиков нередко связаны с решением той или иной проблемы Гильберта.

Если бы примеру Гильберта последовал кто-либо из инженеров, в число важнейших технических проблем середины 20-х годов наверняка была бы включена проблема высоковольтной изоляции. ...Свет электрических ламп разгонял ночную тьму. Благодаря электрическим моторам освобождались от невообразимой путаницы приводных ремней заводские цехи. Трамваи бегали по улицам городов, и первые электропоезда - по железным дорогам. По всему миру строились мощные электростанции. "Коммунизм- это есть Советская власть плюс электрификация всей страны",- провозгласил лозунг нового общества Ленин. Чтобы окончательно превратить век пара в век электричества, необходимо было научиться передавать энергию на большие расстояния. Наука утверждала: самые совершенные линии электропередач должны находиться под напряжением в миллион и даже несколько миллионов вольт. Однако на практике напряжение не превышало двухсот тысяч вольт, да и то если применялись воздушные линии. Наиболее же удобные подземные кабели выдерживали самое большее тысяч шестьдесят. И главная причина этого заключалась в несовершенстве изоляционных материалов. Не случайно Куйбышев , начальник Главэлектро , в памятном разговоре с Семеновым просил физиков заняться вопросами изоляции...

И вот - неожиданный эффект тонких слоев... Неожиданный и непонятный. Пока молодые сотрудники Иоффе - Кирилл Синельников с Игорем Курчатовым - налаживают новые опыты, Абраму Федоровичу не дает покоя вопрос "почему?". Словно дятел стучит в голове: "почему? почему?".

"Почемучки" - существует на Земле такое обширное племя, возраст членов его выражается обычно числом однозначным. Стриженые (или нестриженые) их затылки высовываются из окон трамваев, торчат над заборами, вертятся во все стороны на тротуарах, ибо общение с окружающим миром вызывает неутолимую жажду знать: "Почему небо синее?" - "Почему автомобиль едет?" - "Почему пальцев пять?" Для пятилетнего "почемучки" что ни шаг, то откровение. Его мозг - открытая чистая тетрадка, окружающий мир заполняет ее своими письменами. Страницы заполняются одна за другой много лет... И вот начинают уже говорить: эрудит, знающий человек! Но какова цена эрудиции, если не осталось в "тетрадке" свободного места?

Внимание исследователя всегда обострено до предела. Как ребенок, как губка, впитывает он вести из наблюдаемого мира, но чем больше узнает, тем больше "почему?" у него возникает. Ибо, по словам одного ученого, наши знания подобны расширяющейся сфере. Воздушному шарику, приложенному к губам. Чем полнее становится шарик, тем больше у него точек соприкосновения с еще неведомым. Вспомните восклицание Эренфеста: "Если вы занимаетесь физикой, у вас не может не быть вопросов!" Настоящий ученый, даже в возрасте, когда годы подкатывают к трехзначному числу, все равно не покидает племени "почемучек" - или покидает племя ученых! Ибо в основе научного творчества, утверждают психологи, в биологической основе неистребимой человеческой страсти к познанию лежит тот самый рефлекс "Что такое?", который заставляет щенка навострить уши, когда его внимание привлечено чем-то незнакомым.

...Почему же все-таки возможно электрическое упрочнение в тонком слое? Пусковые механизмы в мозгу Иоффе включаются без задержки. Над крышами очевидности расцветает фейерверк догадок, предположений, гипотез. Не греша против разума, вообще ничего невозможно придумать... Это уже потом придуманное пропускается сквозь мелкое сито сомнений и экспериментов.

Кто не знает легенды о восточном мудреце, который изобрел шахматы , и о правителе, которому так понравилась новая игра, что он решил наградить мудреца чем только тот пожелает... И мудрец сказал: пусть положат на клетки шахматной доски пшеничные зерна. Пусть начнут с одного зерна, а потом на каждую клетку кладут вдвое больше зерен, чем лежит на соседней. Будь по-твоему, сказал щедрый правитель, втихомолку посмеиваясь над скромностью мудреца: правителей в той стране плохо обучали математике. Чтобы собрать столько зерен, сколько требовалось для шестьдесят четвертой клетки, не хватило бы закромов всех его верноподданных, ибо количество зерен, удваиваясь от клетки к клетке, нарастало подобно лавине.

Не так ли, - рассудил Иоффе, - нарастает число зарядов во включенном в электрическую цепь твердом диэлектрике? Рассуждение казалось допустимым, тем более что на подобной же предпосылке было основано представление об электрическом разряде в газах. Ионы сталкиваются друг с другом, образуя все новые ионы, и процесс этот напоминает лавину, обвал в горах. На горных склонах, чтобы сдержать камнепад, на пути его ставят стенки - только в самом начале можно пресечь лавину, пока она еще не наберет силы, пока путь, ею пройденный, еще мал... Не в этом ли разгадка и свойств тонкого слоя - лавина ионов не успевает достаточно разогнаться на таком коротком пути?!

И вот уже скачут, не замечая препятствий, крылатые кони воображения. Если бы удалось создать изоляцию, обладающую хотя бы вдесятеро большим электрическим сопротивлением, чем у обычных материалов, это, пожалуй, вызвало бы переворот в технике не менее решительный, чем от нерожденного аккумулятора. Да что там вдесятеро! "Если бы электрические свойства кабельной изоляции улучшить всего на 30 процентов, то все линии мы бы упрятали под землю, что представляет неисчислимые преимущества в эксплуатационном отношении",- сказал однажды физику Иоффе авторитетный германский специалист. Он был авторитетным специалистом, но не был физиком. Предел его желаний составляли жалкие тридцать процентов, тогда как теоретические соображения того времени позволяли рассчитывать на увеличение электрической прочности не в десять - в две сотни раз!

После работ по механической прочности такой разрыв между теорией и практикой не особенно удручал Иоффе: удавалось же в десятки и даже в сотни раз повысить прочность соли...

Итак, все, как к фокусу, сходится к новой задаче. Замеченные на опыте факты. Правдоподобная гипотеза. Теоретические соображения. Насущные технические потребности. Возможность "делать то, чего еще не делал никто"!.. Нужна незаурядная "ловкость рук", чтобы манипулировать с пленками толщиною в доли микрона. Вместе со своими "мальчиками" ученый затевает опыты поистине ювелирной тонкости. И опыты как будто бы подтверждают гипотезу ионной лавины - необычайная электрическая прочность, исправно наблюдаемая в тонком слое, исчезала при утолщении. Оно казалось понятным - лавина успевала достаточно разогнаться...

Наступало время переходить от физики к технике. От изучения фактов к разработке нового вида изоляции. Ввиду больших его перспектив и, как писал впоследствии Иоффе, "отсутствия в Союзе к тому времени (еще до начала первой пятилетки) технической базы, предложено было привлечь иностранный опыт..." "Разработка и использование новых методов изоляции, разработанных нами... ведется теперь одновременно в Америке и Германии, где создан с этой целью широкий концерн..." - сообщал Иоффе по возвращении из очередной заграничной командировки (в начале 1928 года).

Опять, как в первую свою поездку с "купеческой" миссией, он встречался не только с ученым миром - еще и с воротилами бизнеса и гешефта, с адвокатами, вел переговоры, заключал договора.

Крупнейшие электротехнические фирмы охотно откликнулись на предложение участвовать в деле. Должно быть, предвкушали крупные барыши. Условия договоров были необычайно выгодны - "все результаты должны были быть предоставлены бесплатно нашей промышленности; а изделия, производимые за границей, должны были давать нам... валютный доход..."

И ведь это значило, помимо всего остального, что сбудутся, наконец, надежды отплатить за все израсходованное на институт, возвратить долги!.. С наибольшим успехом пошло дело в лабораториях Сименса в Берлине. "Там не только подтвердили наши результаты, полученные на стекле и слюде, - писал Иоффе, - но и распространили их на целый ряд технических изолирующих лаков... Таким образом, казалось, что тонкослойная изоляция оправдала ожидания...

Однако, когда работы... перенесены были в СССР, наши опыты резко разошлись с данными лаборатории Сименса. Даже на материале, привезенном из Германии, мы не могли получить столь высокой прочности. Удалось разработать новые изолирующие материалы (полистирол, ацетилцеллюлоза) с весьма большой прочностью и высокими изоляционными качествами, но мы не получали на них эффекта тонкослойности.

С другой стороны, к этому времени и теоретическая картина твердого тела, как указал Л.Д. Ландау , не допускала необходимого для нашей гипотезы разгона ионов в твердом теле..."

Ссылки: