Эффект Ребиндера: как адсорбция ослабляет твёрдые тела

Как адсорбция ослабляет твёрдые тела

Стоит смочить металл или кристалл подходящей жидкостью и приложить нагрузку — и материал внезапно теряет привычную прочность. За этим наблюдением стоит целое физико-химическое явление, названное в честь советского учёного, который описал его почти столетие назад. Ниже разберём природу эффекта, условия его появления, характерные примеры, промышленную пользу и особое поведение полимеров.

Проще говоря, механические характеристики твёрдого тела меняются под влиянием физико-химических процессов: адсорбция снижает межфазную энергию поверхности, из-за чего материал легче деформируется и разрушается. Такое ослабление называют адсорбционным понижением прочности.

Открытие принадлежит Петру Ребиндеру и датируется 1928 годом. Внешне явление узнаётся по нескольким признакам: тело становится хрупким, его прочность и долговечность падают, а раздробить его удаётся заметно легче.

При каких условиях эффект вообще возникает

Само по себе смачивание ничего не даёт — нужен ещё и механический фактор. Чтобы адсорбционное ослабление проявилось, требуется одновременно два обстоятельства:

• в теле должны действовать растягивающие напряжения;
• твёрдый материал должен контактировать с жидкой средой.

Отдельного упоминания заслуживают кристаллы. Помимо снижения межфазной энергии, для запуска эффекта у кристалла обязаны присутствовать структурные дефекты — именно от них начинают расти трещины. В поликристаллических материалах роль таких очагов играют границы зёрен.

Чем это отличается от коррозии и растворения

Легко спутать адсорбционное ослабление с обычным химическим разрушением, но у эффекта Ребиндера есть три отличительные черты:

• Обратимость. Убрав активную среду, материал возвращает исходные свойства.
• Мгновенность. Ослабление наступает сразу же после соприкосновения тела с жидкостью, без длительного накопления повреждений.
• Малый расход вещества. Хватает совсем небольшого количества действующей среды — при условии, что параллельно приложена механическая нагрузка.

Ни растворение, ни коррозия такой картины не дают: там вещество расходуется постепенно, а изменения необратимы.

Наглядные примеры для металлов и кристаллов

Классические демонстрации показывают эффект особенно ярко:

1. Цинковая проволока-монокристалл. На воздухе она тянется вдвое от исходной длины. Но если окунуть её в раствор нитрата ртути, при растяжении она попросту переламывается, оставляя гладкую поверхность разлома.
2. Поликристаллическая цинковая пластина. Без внешней среды она спокойно складывается пополам и не трескается. Достаточно нанести капли галлия или ртути — и та же пластина начинает крошиться и ломаться.

Для ионных кристаллов нужна встреча с определёнными полярными веществами. Так, поликристаллы хлорида натрия слабеют на растяжение и изгиб в воде, насыщенной хлоридом калия. А пластичные монокристаллы того же хлорида натрия при 400 °C в присутствии расплава хлорида алюминия или хлорида цинка становятся хрупкими.

У молекулярных кристаллов срабатывают, наоборот, неполярные соединения. Показательный случай: поликристаллы нафталина рядом с дихлорметаном и бензолом теряют половину прочности — около 50 %. Отдельно стоит силикатное стекло: контакт с водой лишает его стойкости к излому.

Где эффект приносит практическую пользу

Способность облегчать дробление сделала явление ценным инструментом производства. Его применяют, чтобы:

• бурить горные породы;
• размалывать цемент и руду;
• обрабатывать особо прочные материалы — прокатывать, сверлить, шлифовать и полировать;
• предотвращать слипание уже измельчённых частиц.

Есть и обратная сторона. Иногда среда действует нежелательно и ускоряет разрушение, например, адсорбентов и катализаторов. Тогда задача инженера — устранить условия, при которых эффект развивается, и тем самым защитить материал.

Особый случай: полимеры

В полимерах картина складывается иначе, чем в металлах. Новая поверхность рождается здесь не только при разрушении, но и во время деформации, когда макромолекулы выстраиваются в одном направлении. Наглядно это видно на лавсане. Один образец плёнки растягивали на воздухе, другой — в адсорбционно-активной жидкости. Второй при этом не сужается, зато мутнеет и приобретает молочно-белый оттенок.

Причина — в возникновении фибриллярно-пористой структуры. Она состоит из нитевидных пучков макромолекул (фибрилл), между которыми лежат поры-микропустоты. Фибриллы разнесены в пространстве, а микропустоты рассеивают свет — отсюда и белёсый цвет. Пустоты заполняются жидкостью, поэтому неоднородное строение сохраняется даже после снятия нагрузки. Возникает такая структура локально, а по мере деформирования охватывает всё больший объём.

Итог примечателен: простым растяжением плёнки в жидкости полимеру придают уникальное строение с огромной межфазной поверхностью. У фибриллярно-пористого материала с элементами нанометрового масштаба удельная поверхность доходит до нескольких сотен квадратных метров на грамм исходного вещества.

Рост межфазной поверхности выгоден энергетически, но не бесконечен. Когда фибриллы вытягиваются слишком сильно, они начинают сливаться, и полимер совершает структурный переход — от рыхлой формы к более плотной и компактной.