# Вынужденная валентность

Валерий Алексеевич Быков

Я попытался рассмотреть и описать перспективы вынужденной валентности.

Вынужденная валентность.

Начнём как всегда издалека. Зачем нужны сверхпрочные и сверхтугоплавкие металлы? Танковая и авиационная броня, аппараты способные спуститься на дно океана, ракетные и авиационные двигатели, в которых КПД и мощность двигателя напрямую зависит от прочности и температуры плавления металла. Также хранение многих нестабильных веществ (таких как металлический водород и гидрат гелия) требует высокого и сверхвысокого давления, которое невозможно обеспечить без металлов достаточно большой прочности, или без них оборудование для хранения вещества под сверхвысоким давлением будет иметь большую массу, что неприемлемо для условий самолёта или космического корабля. Таким образом, понятно, что металлы более высокой прочности и температуры плавления нужны буквально везде, и напрямую завязаны на амбиции человека по полётам в дальний космос. И скажу более, без сверхпрочных и сверхтугоплавких металлов, все амбиции человечества по освоению космоса это просто глупые нереализуемые мечты сопливого кролика. Поскольку создание ракетных двигателей способных обеспечить достаточно большой удельный импульс, напрямую связано с давлением в камере сгорания и температурой. Ни один современный металл (из используемых) не обеспечивает таких параметров.

Сколько это, сверхвысокая прочность и сверхвысокая температура плавления? В моём представлении это в 200 раз прочнее стали и температура плавления 5000Кельвин и выше. Возможно ли такое, и возможны ли ещё более высокие параметры металлов, или это недостижимо по законам природы? Да возможно, если повысить валентность элемента. Поскольку во многих атомах тяжёлых металлов, в создании связи используется лишь часть верхних электронов и только. В то время как средние и нижние электроны, обладающие наибольшей энергией связи, в формировании кристалла не участвуют вовсе.

Давайте рассмотрим примеры вынужденной валентности, которые давно известны людям. Первый и самый известный всем пример это графит алмаз. Атом углерода, обладающий ШЕСТЬЮ! электронами имеет валентность 4 и его обычная форма это графит, достаточно малопрочное вещество с самой высокой температурой плавления из всех элементов таблицы Менделеева, более 4000Кельвин. Графит малопрочен и хрупок, но под давлением 10ГПа (100тыс атм) и при температуре 2000Кельвин он превращается в алмаз. Алмаз это шестивалентная форма углерода, а графит 4х валентная, то есть атом алмаза использует 6 электронов, а графит 4. Повышая давление дальше, при давлении 112ГПа можно получить лонсдейлит, который представляет из себя тот же 6 валентный алмаз, но с другой кристаллической решёткой, то есть атомы сидят по другому. Лонсдейлит ещё прочнее и твёрже, чем алмаз, хотя многие называют его чёрным алмазом. Таким образом, на примере поведения графита мы можем наблюдать превращение 4х валентного вещества в 6ти валентное, с исключительным повышением плотности и прочности. Если плотность повышается в 1,5 раза, то прочность и твёрдость повышается в десятки и сотни раз. Однако температура обратного фазового перехода в графит у алмаза порядка 930К или 650С. Что объясняется высоким распирающим эффектом, поскольку атом углерода имеет всего 6 электронов, и очевидно переход на полную валентность приводит к тому, что он стремиться вернуться назад. То есть задействие всех электронов не проходит бесследно. Однако если глянуть ниже, то в таблице Менделеева полно элементов обладающих куда большим набором электронов чем углерод, и для них повышение валентности например с 7 до 15, при общем количестве электронов 70-80 уже не так критично как для алмаза.

Рассматривая элементы дальше, можно узнать, что алмаз не единственный элемент в природе, который проявляет свойства вынужденной валентности из тех о которых люди знают со школьной скамьи. Элемент Эльбор формируется из бора и азота под давлением 8ГПа и в нём азот, имеющий 7 электронов проявляет валентность 5. Эльбор имеет почти такую же твёрдость как алмаз, но его температура фазового перехода уже 1900Кельвин или 1600Цельсио. Я не называю точную цифру фазового перехода, потому что она плавающая, плюс минус несколько градусов, тем не менее, можно заметить, что эльбор намного более стоек к высокой температуре, в основном за счёт того что у него задействовано лишь 5 электронов из семи, и распирающий эффект слабее. Стоит ли упоминать тот факт, что в пятивалентной форме, газ азот ведёт себя не как газ, а как твёрдое и плотное вещество, похожее на алмаз. К слову следующий после азота элемент таблицы менделеева кислород при сверхвысоких давлениях тоже обретает металлическую природу, превращаясь из газа в металл.

Рассуждая о температуре плавления алмаза, стоит добавить, что при давлении 10-20ГПа распирающий эффект в алмазе пропадает, а температура плавления алмаза достигает 12500Кельвин, что в три раза превосходит графит и почти в 4 раза превосходит вольфрам. Однако, столь высокую температуру плавления алмаз имеет под давлением. В принципе высокое давление повышает температуру плавления веществ, но не так сильно, из чего можно сделать вывод, что температура плавления алмаза реально намного выше графита, надо только убрать распирающий эффект. Почему всё так, достаточно очевидно, прочность межатомных связей в алмазе намного выше, и как следствие его температура плавления выше. Его атомы могут выдержать более сильные колебания.

Ведутся ли сейчас опыты по сжатию ещё более тяжёлых металлов? Да ведутся, несколько лет назад учёные США (а вовсе не России) сжали алюминий до плотности 3920кг/м3 хотя обычная плотность алюминия 2600кг/м3. Полученный сверхплотный алюминий родился при температуре свыше 10тысК и давлении 1040ГПа (в 100 раз большее чем давление рождения алмаза). Полученный металл химически являлся алюминием, имел прочность во много раз превосходящую обычный алюминий, и более высокую температуру плавления.

Таким образом, можно сделать вывод, что правило вынужденной валентности является закономерным для всех элементов таблицы Менделеева и, особенно для тяжёлых элементов. Причём, всё что написано выше, про алмаз, эльбор и сверхплотный алюминий можно нагуглить в Интернете, эта информация не является закрытой.

Стоит особо подчеркнуть, что многие куда более тяжёлые металлы, такие как железо, медь, вольфрам, торий и обеднённый уран. Являются более перспективными в плане получения вынужденной валентности, чем такие лёгкие элементы как углерод или алюминий.

Работая со сверхвысокими давлениями и тяжёлыми металлами, для получения результата иногда даже не требуется повышать валентность металла, поскольку при литье металла под гипервысокими давлениями в 100ГПа (1млн атм) и выше, в металлах начинаются процессы изменения кристаллической решётки, исчезновения дислокаций. Которые приводят к аномально высокому росту прочности и температуры плавления.

Так медь достигает валентности 9 уже при давлениях до 2000ГПа, которые достижимы на наковальнях изготовленных из монокристаллов иридия с идеальной кристаллической решёткой. Иридий в отличие от сапфира и алмаза, обладает значительно большей несжимаемостью, а его монокристаллы с идеальной кристаллической решёткой, обладают наивысшей прочностью среди всех элементов таблицы Менделеева. Рядом с иридием по эффективности находятся осмий и рений. Другие более лёгкие элементы, традиционно считающиеся более прочными, на самом деле уступают этой сверхплотной группе, в силу меньшей плотности и меньшего числа электронов.

Работая наковальнями из иридия, была получена медь с вынужденной валентностью, которую условно определили как 9, обладающая прочностью в 40 ИЛИ!! 250тыс раз превосходящую прочность стали и температурой плавления 70тысяч кельвин. Такой металл исключительно сложно обрабатывать, он очень твёрдый и очень прочный, не подвержен обработке методами ФХОСТ и электроэрозионной обработке тоже. Он не взаимодействует с кислотами, и обладает сверхвысоким коэффициентом отражения, около нулевой теплопроводностью и гипервысоким электрическим омическим сопротивлением. (хотя не все металлы и не всегда приобретают под Р такое высокое сопротивление) При этом металл хорошо переживает любые ударные нагрузки, и такая медь имеет плотность всего 19,5тонн на м3. Что примерно соответствует плотности золота, но не какого-то сверхплотного искусственного элемента. То есть плотность такой меди достаточно мала, для того чтобы её можно было использовать в конструкциях военной техники, в качестве танковой брони или для создания стенок камер сгорания самолётов и космических ракет.

Некоторые другие элементы, обладающие сверхнизкой плотностью, такие как Рубидий 1500кг/м3, при литье под гипервысокими давлениями достигают плотности 5000кг/м3 и их прирост плотности при давлениях до 2000ГПа относительно стартовой плотности, выше, чем у меди. Но итоговый результат имеет плотность эквивалентную плотности титана, а полученный металл в тысячи раз прочнее стали и имеет гипервысокую температуру плавления.

Рассматривая принципы вынужденной валентности шире, и проводя энергии расчетов электронов, особенно нижних и средних электронов сверхтяжёлых атомов, таких как атомы рения, вольфрама, урана, тория, иридия. (элементов которые имеют базовую плотность 20тонн на м3 и более). Можно понять, что при давлениях в миллиарды гигапаскалей и температурах кристаллизации в миллионы градусов Кельвина, эти элементы способны сформировать металлы, которые в сотни миллионов раз прочнее стали и имеют температуры плавления до 1,3миллиона градусов. Что кажется совершенно невероятным и невозможным на фоне тех материалов, которые используются человечеством сегодня. Тем не менее, столь высокие параметры достигаются методом активации средних и нижних электронов сверхвысоких энергий, которые в обычных условиях невалентны. Стоит отметить, что энергия нижних и средних электронов атома иридия в миллионы(средних) и миллиарды(нижних) раз превосходит энергию верхних электронов, и при активации этих электронов, когда они становятся валентными, эта энергия определяет прочность связи. В связи с чем, межатомная прочность связи вырастает во много раз, по сравнению с традиционными металлами, и можно получить невероятно прочный и тугоплавкий металл. С аномально высокой прочностью и звёздной температурой плавления.

В тяжёлых металлах, состоящих из большого количества электронов (80 и более), при использовании 20-25 верхних электронов, распирающий эффект в отличие от алмаза минимален, а прочность межатомных связей достигает аномальных величин. Получение таких металлов возможно при гипервысоких давлениях, которые можно создать металлами, изготовленными по сходной технологии. И если алмазные наковальни способны обеспечить давление 300ГПа, то наковальни из лонсдейлита уже 500ГПа, а наковальни из монокристалла иридия с идеальной кристаллической решёткой позволяют создавать давления до 3000ГПа при температуре в зоне давления до 5000К, что для алмаза, сапфира и лонсдейлита недостижимо. Используя наковальни, изготовленные из металлов с вынужденной валентностью можно достичь ещё больших давлений, чем из иридия.

Очевидно, если человечество хочет когда-нибудь двинуться в дальний космос, то наш путь тесно связан с материаловедением и металлургией, которые намного важнее, чем кажется.

Работы по опытам со сверхвысокими давлениями сегодня в мире ведутся прежде всего в США, в США эти опыты ведутся уже около семи лет с огромной интенсивностью и щедрым финансированием (секретностью), там строятся мощные специальные очень дорогие установки для работы со сверхвысокими давлениями, подчас из дорогих металлов, таких как иридий. А также установки следующих поколений созданные на базе материалов полученных в установках предыдущих поколений. Которые обеспечивают возможность достижения наивысшего давления. В нашей стране умные политики и юристы пришли к выводу, что это направление науки слишком дорого и бесперспективно, и никаких работ по изучению свойств материи при сверхвысоких давлениях не ведётся. (во всяком случае мне об этом неизвестно) За исключением нескольких СОВЕТСКИХ!! установок, которые даже отдалённо не сравнимы по качеству с теми достижениями, которые уже имеются у США. Что ж... 70 лет назад в СССР пришли к выводу что компьютеры это бесперспективно а кибернетика лженаука. Многие из нас смотрят телевизор и второй канал, где любят хвалить нашу ракетно-космическую программу и великую науку, рассуждать на тему о том, как сильно США от нас отстаёт, ну что ж Good Luck! Верьте дальше в то, что США от нас отстаёт.