Мы обсудили участь росинки, застывшей на камне, а теперь — о том, что происходит с камнем, на котором росинка застыла.
Где бы зародыш ни возник, в конце концов камню не избежать действия растягивающих напряжений, которые, как уже упоминалось, возникают вследствие скачка объема при кристаллизации капли. Расчет показывает, что они могут достичь сотен килограммов на квадратный сантиметр. Этого вполне достаточно, чтобы под каплей в камне возникли трещинки, очаги разрушения.
Деформирующее влияние капли на твердую кристаллическую подложку отчетливо наблюдается с помощью несложного опыта. На гладкой поверхности кристаллика каменной соли располагается капля, которая закристаллизовывается, а затем оттаивается и стряхивается. После такой процедуры в кристаллике на том месте, где располагалась кристаллизовавшаяся капля, обнаруживались очаги деформации, так называемые полосы скольжения. Капле, оказывается, под силу разрушать твердый кристалл, каменную породу.
Под жидкой каплей, закристаллизовавшейся па поверхности кристаллика каменной соли, легко обнаруживаются следы деформации кристалла — линии скольжения и микротрещинки
У французского поэта Ремона Кепо есть строки, которые заставляют задуматься о манере мышления поэта. Вот они:
...В трещинах от дождей,
В трещинах от эрозий,
От росы, от цепких корней,
То на солнце, то на морозе
Продолжает свой путь скала...
Неужели поэт, далекий от физики жидкостей и кристаллов, понимает, что росинка может порвать скалу? Или это погоня за красивой курьезностью — поставить росинку вровень с цепкими, могучими корнями? А быть может, это изощренная интуиция, когда правда, минуя логическое осмысливание, просится в строку? Вот уж действительно путь поэтической мысли и истоки поэтического образа трудно исповедимы!
Капля несколько раз «вторгалась» в творческую жизнь Георгия Глебовича Леммлейна. В первый раз в виде росинок, осевших на кристаллической поверхности, затем в виде капель раствора, движущихся и преобразующихся в объеме кристалла,— об этом рассказ впереди, а в 1957 году он изучил движущиеся по поверхности кристалла капли, за которыми стелется шлейф.
Незадолго перед войной польский физик Коварский обратил внимание на неожиданное и любопытное явление. Если кристалл растет вследствие притока вещества из паровой фазы и если он нагрет почти до температуры плавления, то на его поверхности появляются жидкие капли. Они мечутся по поверхности кристалла, подобно тому как мечется капля воды на горячей сковородке, и, как капля воды, они вскоре исчезают, но исчезают не так, как водная капля. Коварский впервые заметил это явление, а Леммлейн с сотрудниками его подробно изучили. Изучили и иное, родственное явление — образование капель жидкости на поверхности не растущего, а испаряющегося кристалла.
Мысленно поставим опыт, некогда выполненный Леммлейном, и проследим за происходящим. Расположим под стеклянным колпаком кристалл, за которым будем вести наблюдение. Кристалл должен лежать на обогреваемой пластинке, и его температура должна быть на 1—3° С ниже температуры плавления.
Для определенности предположим, что экспериментируем мы с кристаллом сложного органического вещества— паратолуидином, поскольку именно с таким кристаллом экспериментировали в лаборатории Леммлейна. Плавится он при температуое 44° С. В стороне от кристалла под колпаком расположим маленькую печку с тигельком, в котором плавится и испаряется паратолуидин. Вскоре пространство под колпаком заполнится парами паратолуидина, которые должны будут оседать на поверхности подогретого, но нерасплавленного кристаллика. Он при этом будет подрастать, увеличиваться в объеме. Стеклянный колпачок надо сконструировать так, чтобы сквозь него было удобно с помощью микроскопа наблюдать за поверхностью растущего кристалла.
Движение капли, оставляющей за собой шлейф в процессе кристаллизации
Посмотрев в микроскоп, мы увидим, что на поверхности кристалла имеется множество капель разных размеров — от 1 до 20, а иногда и до 30 микрон. Далее мы увидим, что какая-либо из капель, блуждая по поверхности, коснется торца одной из ступенек, которых на поверхности кристалла множество. А после этого произойдет неожиданное: капля, пытаясь уйти от торца ступени, будет оставлять за собой шлейф, высота которого вровень со ступенью. Шлейф окажется частью ступени, ее продолжением. Движущаяся капля будет себя расходовать на образование шлейфа и в конце концов исчезнет.
Однако она исчезнет позже, чем ей надлежало бы исчезнуть, если полагать, что капля перестанет существовать в точности тогда, когда объем вещества в созданном ею шлейфе станет равным ее начальному объему. Любопытная деталь: шлейф, остающийся за каплей, увеличивает свою площадь не только в направлении смещения капли, но и в перпендикулярном направлении, и поэтому у своих истоков он оказывается значительно шире, чем начальный диаметр капли (истинному шлейфу так и положено к концу расширяться).
Движение капель, в процессе испарения оставляющих за собой следы, «отрицательные» шлейфы
Мы увидим еще много и иных подробностей: некоторые капли, пристав к ступени, будут двигаться по спирали, оставляя за собой фасонный шлейф. Некоторые, оставляя за собой шлейф, столкнутся с другой ступенью, оказавшейся на их пути, и, отразившись от нее, начнут образовывать два шлейфа.
Видоизменим опыт, обратив условия его проведения. Сделаем давление пара паратолуидина под колпаком достаточно низким, чтобы кристаллик, за которым мы наблюдаем, смог испаряться. Достичь этого можно, например, так: печку, в которой плавился паратолуидин, выключить, а температуру исследуемого кристалла не изменять. Как и в первом опыте, на его поверхности мы обнаружим капли; как и в первом опыте, они будут «метаться» по поверхности и прикрепляться к ступеням. Но после этого они не станут двигаться от ступени, а начнут вгрызаться в нее, творя «отрицательный» шлейф, т. е. все будет происходить наоборот: при росте кристалла из газовой фазы на его поверхности жидкие капли будут двигаться, образуя слои, а при испарении — слизывая их.
Обсудим сделанные наблюдения. Вот перечень вопросов, на которые надо ответить. Почему капли возникают? Почему, возникнув, они не «примерзают» к кристаллу, оставаясь неподвижными, а бегают по его поверхности? Почему за каплей и «положительный» и «отрицательный» шлейфы со временем расширяются? И еще одно «почему»: почему капля живет дольше, чем ей полагалось бы жить в соответствии с законом сохранения вещества? Неужели этот святой закон нарушается? Попытаемся ответить на эти вопросы, как говорят, в порядке их поступления.
Жидкая фаза — а капли жидкие! — является промежуточной между газообразной и кристаллической. И если кристалл подогрет почти до температуры плавления, то в условиях, когда происходит переход из газообразного состояния в кристаллическое и наоборот, появление промежуточной фазы кажется естественным. А реально происходит вот что. Вблизи поверхности растущего кристалла, в прилегающей к нему прослойке газа образуются зародыши капель, которые оседают на поверхности кристалла и подрастают до видимых размеров за счет притока атомов из пара. Если же кристалл испаряется, капли на его поверхности могут возникнуть в результате столкновений огромного количества блуждающих по ней одиночных атомов, которые оторвутся и улетят в пар, если им не представится случай принять участие в создании капли.
Обязательно надо помнить о том, что и в первом и во втором случае капли образуются на поверхности кристалла, вот-вот готового расплавиться. Это означает, что жидкость капель лишь незначительно переохлаждена. Ни капель, ни шлейфов за ними не было бы, если бы кристалл имел температуру существенно ниже температуры плавления; тогда атомы из паровой фазы падали бы на поверхность кристалла и «примерзали» к ней. Они смещались бы настолько мало, что их взаимные встречи, необходимые для образования капли, были бы практически исключены.
