Как металлические канистры погубили северную экспедицию?

В истории науки предостаточно случаев, когда человек по своему незнанию использовал какие-то материалы совершенно не предполагая, что у этого могут быть катастрофические последствия. Вспомним пример Кюри. Но это самый известный случай, о котором вы наверняка слышали много раз. Существуют и другие подобные ситуации. Они не менее интересны.

Как вам нравится перспектива потерять весь запас горючего, жизненно необходимого в северной экспедиции, из-за того, что ёмкости для хранения просто растворились? Именно такой ужасный случай мы и рассмотрим. Виной его стало очередное незнание свойств материала.

В начале 1900-х годов британская исследовательская экспедиция, возглавляемая Робертом Скоттом, отправилась на север. Их целью было достичь Южного полюса. По пути они оставляли себе запасы горючего. Предполагалось, что эти канистры на обратном пути будут их спасением. Нести весь запас горючего тяжело, а спрятать их в надежном месте, поставить маркеры и потом подобрать — это настоящее спасение. Ведь там, где есть только снег, жечь нечего. Не получится разогреть пищу и просто обогреться в лютый мороз.

В то время топливо хранилось в металлических канистрах, а основной материал для их изготовления был олово. Даже не оловянные сплавы, а именно олово. В нём могли встречаться загрязнения и примеси, но целенаправленное легирование не выполнялось.

В общем-то, олово — это один из самых древних металлов, который используется на Земле. Этот металл применялся для изготовления самых различных предметов для повседневного использования. Из олова раньше делали и канистры, и заклёпки, делали пуговицы, какие-то прочие детали и даже сувениры. Играла роль простота в обработке, а сам металл был недорогой.

Сегодня мы используем олово для пайки или как легирующий компонент в сплавах для шарикоподшипников. Это вспомогательный материал. Однако, во времена той злополучной экспедиции всё было иначе.

Экспедиция тоже оставила топливо именно в оловянных канистрах, поскольку этот тип изделия был невероятно распространён в то время. Но увы, это стало причиной гибели всех участников экспедиции. Случилось страшное — люди шли обратно по известной дороге, ресурсы заканчивались, но на каждой новой точке складирования находили лишь пустые канистры без топлива. Понятно, что его никто не мог украсть или вылить специально. Просто произошло что-то непонятное. Тогда они ещё не знали, что столкнулись с явлением, именуемым оловянной чумой.

Оловянная чума — это такое интересное физическое явление, которое связано с разрушением олова при определенных физических условиях. На первый взгляд, это название больше подойдёт для какой-то хардкор-группы, играющей немыслимый трэш-метал. На самом деле это явление не связано ни с чумой, ни с гаражными группами.

При отрицательной температуре олово начинает вести себя совсем по-другому. Если в обычных условиях олово — это пластичный серебристый металл с определенными свойствами, то при воздействии температур ниже -13 градусов по шкале Цельсия его свойства принципиально меняются. Без легирующих добавок олово превращается в серый порошок. Это и будет чума.

Из белого олова оно превращается в серое и процесс начинает перераспределяться по всему изделию. Белое и серое — это не просто цвет, а характерное состояние металла. Процесс распространения будет напоминать чуму из средних веков.

Современное материаловедение знает причину происходящего. В обычном случае, когда металл пластичный металл, есть кристаллическая решетка, которая обладает определенными периодами и плотностью расположения атомов олова. Такая решетка обеспечивает металлу определенные параметры: пластичность, упругость и другие стандартные механические свойства. Но как только температура доходит критического предела, связи в решетке начинают рушиться.

Частицы разлетаются дальше друг от друга и решетка металла перестраивается. При таком строении кристалла система уже не может обеспечивать стандартные свойства и вместо пластичного металлического образца мы получаем противный серый порошок.

С точки зрения термодинамики явление довольно интересное. Представьте себе, что для обеспечения связи между атомами нужно обладать некоторым количеством тепловой энергии. Оно характеризуется тепловым движением частичек, которые образуют связь в рассматриваемом материале. Пока эти частички живут обычной жизнью и выполняют стандартное тепловое движение, образец сохраняет структуру и физические свойства. Когда внешняя температура начинает понижаться, агенты связи начинают терять тепловую энергию. В конечном итоге всё доходит до того предела, что связь рушится, поскольку вся тепловая энергия израсходована. Она передаётся внешней среде при остывании. Некоторые материалы в этом случае образуют устойчивые кристаллы. Например, вода превращается в лёд. Олово предпочитает другую специфику поведения. К сожалению, она стала известна в результате вот таких ужасных примеров. Канистры из олова просто превратились в порошок, а топливо вытекло.

Сегодня мы знаем, что явление оловянной чумы поддается управлению и контролю. Если использовать специальные легирующие добавки, то стойкость олова на некоторых диапазонах температур значительно возрастает.