Нанотрубки: ещё одна разгадка дамасской стали?

Сабли из Дамасска, теперь Сирия, известны с Х века н.э.. Прочные и невероятно острые, они изготавливались из индийской стали, которая называется "вуц" (wootz). Сталь для клинков изготовлялась в Индии и была там известна под названием «вуц». Индия вела широкую торговлю стальными слитками, которые имели размер хоккейной шайбы. Считалось, что лучшие клинки из индийского вуца куют в Персии; из него же делали щиты и доспехи. Географическое распространение дамасской стали в основном совпадало с распространением мусульманской религии, хотя и в Древней Руси эта сталь также была известна (под названием "булат").

Дамасская сталь. Узор на персидской сабле обусловлен неравномерным содержанием углерода в сверхвысокоуглеродистой стали: светлые участки «дамаска» состоят из карбида железа (цементита), а темный фон образован железом, содержащим значительно меньше углерода.

Дамасские клинки обладали исключительной прочностью на сжатие, т.е. были достаточно твердыми, чтобы сохранять остроту лезвия, и в то же время металл был очень вязким, так что в схватках клинок не ломался. И своими механическими качествами, и красивым волнистым узором на поверхности эти клинки были обязаны материалу, из которого их ковали - дамасской стали. Ко времени крестовых походов о дамасских клинках и доспехах ходили легенды. В последующие века они оставались предметом восхищения европейских кузнецов, настойчиво, но тщетно пытавшихся выковать сталь с характерным поверхностным узором - "Дамаском".

Разгадать секрет дамасской стали стремились некоторые видные европейские ученые, в их числе Майкл Фарадей, сам сын кузнеца. В 1819 г. (до изобретения им электродвигателя и электрогенератора) Фарадей исследовал образцы дамасской стали и пришел к выводу, что ее исключительные свойства объясняются присутствием небольших количеств кремния и алюминия. Хотя этот вывод оказался ошибочным, статья Фарадея вдохновила Жана Робера Бреана, пробирного инспектора Парижского монетного двора, провести серию экспериментов, в которых он вводил в сталь различные элементы. Именно Бреан впервые, в 1821 г., высказал догадку, существенную для понимания металлургической природы дамасской стали: ее необычная прочность, вязкость и вид должны быть обусловлены высоким содержанием углерода. Он установил, что структура дамасской стали имеет светлые участки «науглероженной стали» на темном фоне, который он называл просто "сталью".

Бреану удалось изготовить клинки с узором как у дамасской стали, но он до конца своих дней так и не дал подробного объяснения своему способу. Более того, он не смог понять важности всех последовательных операций в использованном им процессе. Только на исходе XIX в., когда ряд исследователей изучили фазовые превращения, происходящие в стали, и установили их зависимость от температуры и содержания углерода, были созданы предпосылки для полного научного объяснения структуры дамасской стали. Но даже и теперь, когда фазовая диаграмма железо-углерод хорошо изучена, процесс изготовления дамасской стали считается по американскому праву открытием и может быть запатентован.

Нанотрубки в дамасском клинке. Изображение нанотрубок высокого разрешения, обнаруженных в лезвии дамасских клинков с помощью электронного микроскопа Паулером и коллегами. Изображение: Nature.

Учёные 21 века тоже пытаются разгадать до конца интригующую загадку Дамасских клинков. В недавнем выпуске известного журнала Nature была опубликована статья, в которой сотрудники Дрезденского университета в Германии изложили результаты своих исследований структуры дамасской стали. Питер Пауфлер (Peter Paufler) и его коллеги сделали с помощью электронного микроскопа снимки этих сабель и обнаружили, что они имеют трубчатую наноструктуру. Это наводит на мысль о углеродных нанотрубках, которые используются в самых передовых современных технологиях и известны своей прочностью.

Трубки были обнаружены только после того, как фрагмент клинка был обработан соляной кислотой для того, чтобы удалить другую микроструктуру: сетчатый слой карбида железа, или цементита, похожий на проволоку. Индийская сталь-вуц содержала в небольших количествах переходные металлы, такие как цинк или медь. До этого считалось, что эти примеси способствуют формированию цементитной сетки, но было не известно как именно. Паулер считает, что нанотрубки могут быть не хватающим элементом этой загадки.

По словам Паулера, при высоких температурах примеси в индийских рудах могли катализировать рост нанотрубок из углерода древесины, которая сжигалась при выплавке вуца. В сою очепедь, внутри этих трубок образовывался цементит, который и формирует "проволоку-узор" дамасского клинка.

Однако, его предположения могут быть ошибочны. Эксперт по сталям Джон Верховен (John Verhoeven) из Университета штата Айова считает, что Паулер увидел что-то другое. Он отметил, что цементит сам по себе может формировать проволочные структуры, и при этом никакая "помощь" нанотрубок не нужна. Другой потенциальной проблемой может быть то, что само оборудование электронного микроскопа иногда содержит (загрязнено) нанотрубки, по словам Алекса Цеттеля (Alex Zettel) из Калифорнийского университет в Беркли. Паулер согласен с тем фактом, что тяжело избавиться от этой проблемы, но использование ими в своих исследованиях разного оборудования позволяет не сомневаться в том, что обнаруженные нанотрубки были из лезвия сабель.

Источник: News@Nature

Ссылки по теме:

M. Reibold, P. Paufler, A.A. Levin, W. Kochmann, N. P?tzke and D.C. Meyer
"Materials: Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre", Nature 444, 286 (16 November 2006)

Олег Д. Шерби и Джеффри Уодсворт
"Дамасская сталь", В Мире Науки (Scientific American. Издание на русском языке). Апрель 1985. 74-80