Азиатский элемент

Гафний — тяжелый тугоплавкий серебристо-белый металл, 72-й элемент периодической системы.

Если бы не ряд обстоятельств, обсуждение которых выпадает из русла сегодняшнего повествования, оснований для национальной гордости великороссов было бы существенно больше. Хотя и тех, что общепризнанны, — более чем достаточно. Конечно, приятно считать изобретателем электрической лампочки не Эдисона, а Яблочкова; паровоза — не Стефенсона, а отца и сына Черепановых; радиосвязи — не Маркони, а Попова; самолета — не братьев Райт, а Можайского… Однако история не терпит сослагательных наклонений. Изобретения и открытия многих наших соотечественников не получили должного развития и остались неизвестны для всего остального мира. Так что вести речь о каких-либо приоритетах решительно невозможно. Что, впрочем, ничуть не умаляет заслуг российских «быстрых разумом Невтонов» и по сию пору служит невыученным уроком: пророков вполне можно сыскать и в собственном Отечестве. А к вышеозвученному списку после недолгих изысканий легко добавить еще очень много фамилий…

Дмитрий Иванович Менделеев, ранним мартовским утром 1869 года наскоро зарисовав явившуюся ему во сне периодическую систему химических элементов, смог заполнить далеко не все клетки получившейся таблицы. В частности, пустовала ячейка под номером 72. В отличие от галлия, скандия и германия, свойства которых Менделеев сумел описать задолго до их фактического открытия¹, по поводу 72-го элемента ни он, ни кто-либо другой ничего внятного сказать не смогли. Были предположения, что это — один из редкоземельных элементов, подобных лантану, однако впоследствии оказалось, что это не так.

В 1914 году один из сотрудников Санкт-петербургской минералогической лаборатории, возглавляемой выдающимся геохимиком академиком В. И. Вернадским, привез из очередной забайкальской полевой партии образцы минерала ортит, найденные на полуострове Святой Нос. Как водится, минерал подвергли химическому анализу. Искали, прежде всего, радиоактивный элемент торий, однако выделенные из образцов крупицы тяжелого блестящего металла на торий походили мало. Измерение атомной массы, сделанное учеником Вернадского К. А. Ненадкевичем, показало, что ее значение равно не 232, как должно быть у тория, а всего — 178 с десятыми долями. Таким образом, в соответствии с периодическим законом, в руках у российских ученых оказался неизвестный до того времени 72-й элемент! Ненадкевич хотел тут же опубликовать сообщение об открытии нового элемента, однако Вернадский уговорил его еще раз перепроверить все полученные данные. Так и порешили. Но на пороге уже стояла Первая мировая война, а за ней и Гражданская.

В 1923 году венгерский химик Дьёрдь Хевеши (Gyцrgy Hevesy) и голландский физик Дирк Костер (Dirk Koster), работавшие в Копенгагене в Институте теоретической физики, руководствуясь предсказанными² великим датским физиком Нильсом Бором (Niels Bohr) свойствами³ и валентностью 72-го элемента, обнаружили его в норвежских циркониевых рудах. Так как открытие элемента произошло в Копенгагене, то и название он получил соответствующее — гафний (Hafnium, Hf). Ведь Hafnia — латинское название города Копенгаген.

С момента открытия и до сего времени применялся гафний не слишком широко и был, мягко говоря, малоизвестен широкой публике. И это несмотря на то, что в природе гафния, к примеру, в 1000 раз больше, чем золота. Однако трудность выделения этого элемента из руд ограничивало его использование преимущественно ядерной энергетикой (регулирующие стержни атомных реакторов), металлургией (детали реактивных двигателей и стойкие к коррозии сплавы) и радиотехникой (катоды рентгеновских и телевизионных трубок, радиоламп, а также оптоволокно).

Однако в последние годы о гафнии заговорили весьма активно. Сначала — в весьма мрачном ключе. Дело в том, что в 1999–2005 годах в результате исследований, проведенных в Центре квантовой электроники при Техасском университете (г. Даллас), стало ясно, что вроде бы нет никаких принципиальных трудностей в том, чтобы на основе гафния создать ядерное оружие нового поколения. При воздействии на возбужденный изомер⁴ гафния-178, например, жестким рентгеновским излучением, он выделяет в огромном количестве так называемую запасенную энергию в виде гамма-квантов: один грамм гафния соответствует примерно 250 кг в тротиловом эквиваленте. При этом гафниевая бомба производит разрушения вокруг себя без радиационного заражения местности, то есть на нее не распространяются соглашения по ядерным вооружениям. Пока непонятно, сколько лет потребуется на создание такого боеприпаса, и удастся ли вообще его создать, однако гафний мгновенно привлек к себе самое пристальное внимание…

А 11 ноября 2007 года, в воскресенье, о гафнии заговорили снова. В этот день корпорация Intel представила семейство процессоров, производимых по 45-нанометровому техпроцессу P1266. Фамильное имя этого семейства — Penryn, а всего оно включает, как минимум, шесть различных кристаллов. Прежде всего, это мобильный Penryn, чье название совпадает с общим для всего семейства, и на основе которого будут выпущены мобильные процессоры Core 2 Duo и Core 2 Extreme с кэшем второго уровня объемом до 6 Мбайт. Далее, — два десктопных кристалла: четырехъядерный Yorkfield (настольные Core 2 Quad и Core 2 Extreme, кэш до 12 Мбайт) и двухъядерный Wolfdale (настольный Core 2 Duo, кэш до 6 Мбайт). И, наконец, аж три серверных: четырехъядерный Harpertown, двухъядерный Wolfdale-DP и кристалл Dunnington, о котором пока мало что известно. Серверные процессоры выйдут на рынок, разумеется, под торговой маркой Xeon. На сегодняшний день доступно 16 моделей процессоров, из которых 15 — серверных, и лишь один — Core 2 Extreme QX9650 — настольный. Буквально пару слов о нем: тактовая частота — 3 ГГц; системная шина — 1333 МГц; содержит четыре ядра, 12 Мбайт кэша второго уровня и рассчитан под сокет LGA775. Общее число транзисторов — около 820 миллионов, площадь кристалла — 214 кв. мм, типичное энергопотребление — менее 90 Вт. Важная особенность процессора — поддержка набора инструкций SSE4.1 (47 новых команд), который весьма заметно ускоряет обработку мультимедийных данных. Цена — $999.

Но при всем впечатляющем наборе характеристик, семейство новых процессоров Penryn замечательно вовсе не ими, а примененным техпроцессом. Дело в том, что ахиллесовой пятой всех процессоров последних лет выпуска были так называемые токи утечки в транзисторах, величина которых стала столь велика, что это приводило к существенным проблемам для разработчиков. Им приходилось идти на всяческие ухищрения ради обеспечения стабильной работы процессоров на высоких тактовых частотах, а также бороться с избыточным тепловыделением кристаллов. В результате исследовательских работ, проведенных компанией Intel, удалось снизить токи утечки в транзисторах, выполненных по новому 45-нанометровому техпроцессу, практически на порядок, а также увеличить скорость переключения транзисторов на 20 процентов. А это означает и более высокие тактовые частоты, и вполне приемлемые ватты выделяемого тепла — энергопотребление уменьшилось ориентировочно на 30 процентов. В основе разработки Intel лежит применение металлических затворов транзисторов (вместо поликристаллических кремниевых) и изоляторов с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) на основе силицида гафния (вместо изоляторов из оксида кремния). Гордон Мур (Gordon Moore), один из основателей компании Intel, назвал эти нововведения самым значительным изменением технологии производства транзисторов за последние 40 лет. По его мнению, они позволят продлить действие широко известного закона Мура, как минимум, еще на десяток лет и освоить к 2016 году техпроцесс с нормами 22 нм. Таким образом, гафний, не успев толком заявить о себе как о военном стратегическом материале, похоже, прочно обосновался в качестве стратегического материала высоких технологий. Так что он, без всяких натяжек, — элемент 21 века!

Да, кстати, академик Вернадский успел дать собственное имя открытому в его лаборатории 72 элементу периодической системы. В то время уже был известен европий, нареченный так в честь континента Европа⁵, и Вернадский, учитывая место обретения исходного минерала, предложил назвать только что открытый металл в честь Азии. То есть — азием!

1 Что и стало главным доказательством верности периодического закона.

2 На основе разработанной Нильсом Бором электронной модели атома.

3 Сходными с цирконием, а не с редкоземельными элементами.

4 Явление ядерного изомеризма, лежащее в основе гафниевой бомбы, было открыто академиком И. В. Курчатовым еще в 30-х годах прошлого века.

5 А америций в 1944 году получил свое название, соответственно, в честь континента Америка.