Генрих Эрлих, «Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий»
Бенджамин Франклин:
Наукой Франклин активно занимался недолго, около десяти-пятнадцати лет, и, похоже, не придавал этим занятиям большого значения – в его «Автобиографии» они упоминаются вскользь. Некоторые злопыхатели считали его посредственным ученым. Они не правы в принципе. Франклин вообще не был ученым в современном понимании этого слова. Он был изобретателем и пытливым наблюдателем природы, естествоиспытателем, или философом природы, натурфилософом. При этом он сделал столько, что подавляющему большинству ученых и не снилось.
Наибольшую известность ему принесли работы по электричеству. Чтобы оценить величие Франклина, достаточно вспомнить, что знало человечество об электричестве в 1747 году, когда начинающий сорокалетний ученый впервые столкнулся с этим явлением. По сути, все исчерпывалось проскакиванием искры между двумя палочками, натертыми шерстяной тряпкой, притягиванием или отталкиванием от этих палочек легких предметов типа перышка и сконструированным незадолго до этого незамысловатым устройством под названием «лейденская банка», представляющим собой стеклянную бутылку, заполненную водой и заткнутую пробкой с вставленным металлическим стержнем. Разряд лейденской банки вызывал в теле человека крайне неприятные ощущения, всем нам хорошо знакомые, которые тем не менее обладали для современников непонятной притягательной силой.
|
|
|
Нечто подобное Франклин и увидел на «лекции» приехавшего из Шотландии доктора Спенса. В сущности, это было балаганное зрелище за деньги, но оно, по собственному признанию Франклина, «изумило его и доставило ему удовольствие». Поразительно, но всего через два года он уже сформулировал свою основную гипотезу о природе электричества: «Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, так как они могут пронизывать обычные вещества, такие плотные, как металл, с такой легкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления». Через два с лишним столетия великий физик Петр Леонидович Капица напишет: «Эта картина до сих пор в основном остается правильной… В наши дни мы называем эти „крайне малые частицы“ электронами».
Тогда же Франклин ввел в обращение столь привычные для нас обозначения «+» и «-». Он полагал, что любое тело является как бы губкой, насыщенной частицами электричества. Тело, получившее при электризации избыток электрических частиц, заряжено положительно, а тело, имеющее недостаток этих частиц, заряжено отрицательно. Сейчас мы придерживаемся диаметрально противоположной точки зрения, но обозначениями Франклина тем не менее пользуемся.
А еще он высказал предположение об электрической природе молнии и предложил способ экспериментальной проверки своей гипотезы с помощью воздушного змея. Сегодня кажется странным, что Франклин опубликовал эту идею, нисколько не озаботившись тем, что кто-либо может воплотить ее в жизнь и приобрести тем самым всемирную славу. Но дело в том, что его абсолютно не волновали вопросы приоритета, столь значимые для ученых последующих поколений и особенно наших дней, если судить по многочисленным, выходящим зачастую за грань приличия дискуссиям в СМИ и научном сообществе.
|
|
|
Теория Франклина вызвала бурные дебаты, многие ученые отвергали ее с порога: что может предложить этот дилетант и к тому же американец?! Поведение в этой ситуации Франклина опять могло бы послужить примером для последующих поколений ученых. Он не бросился доказывать свою правоту, выступать на конференциях и писать письма в редакции. «Я, – рассказывал Франклин в „Автобиографии“, – решил предоставить мои доклады их участи, полагая, что будет лучше использовать время, которое я могу выкроить из занятий общественными делами, для производства новых экспериментов, чем для дискуссии по поводу уже произведенных». Время подтвердило правоту Франклина, его теория была признана. Истина всегда прокладывает себе дорогу, рано или поздно.
|
|
|
Опыты с лейденской банкой привели Франклина к изобретению конденсатора, без которого немыслимы современные электронные устройства. Опыт с воздушным змеем нашел воплощение в громоотводе.
И вновь необычное поведение: Франклин не стал патентовать громоотвод, хотя было очевидно, что это изобретение может принести ему огромное состояние в кратчайший срок. Это даже как-то не по-американски, сказали бы мы с высоты нашего времени. Но точно так же не стал Франклин патентовать и изобретенную им железную печь, которая требовала намного меньше дров и лучше обогревала дома, чем традиционные английские камины. В США это устройство называют «печью Франклина» и используют до сих пор, ее отголоском в России стала знаменитая «буржуйка».
Франклин считал, что изобретения и научные достижения должны принадлежать всему обществу, а не какому-то конкретному человеку. «Получая удовольствие от чужих изобретений, приятно сознавать, что и ты можешь оказать услугу людям», – говорил он. Впрочем, некоторые свои изобретения Франклин все же патентовал, например кресло-качалку или бифокальные очки, которые он изобрел в восьмидесятилетнем возрасте: жизнь, видно, заставила.
|
|
|
Курьезный случай произошел во Франции во времена жизни там самого Франклина. В городе Сент-Омере некий господин де Виссери установил на своем доме громоотвод, так его соседи подали на него в суд: громоотвод-де притягивает молнию, угрожая безопасности их жилищ. Процесс длился четыре года и приобрел вселенское значение. На нем сделал себе имя молодой адвокат ответчика Максимилиан Робеспьер, который в конце концов выиграл дело. Со стороны истцов одним из экспертов выступал Жан-Поль Марат, который считал громоотвод опасным и вредным экспериментом. Как тесен мир!
Владимир Ипатьев:
После окончания военной академии новоиспеченный штабс-капитан артиллерии Владимир Ипатьев приступил к чтению лекций по химии в своей alma mater и одновременно – к исследованиям по органической химии в Петербургском университете. Диссертация, защищенная им через два с половиной года, была посвящена изопрену – веществу, незадолго до этого выделенному из натурального каучука. Это сейчас в школьном курсе разъясняют, что натуральный каучук – полимер изопрена, а в кон. XIX века было неизвестно само понятие полимера. Кроме того, каучук практически не был востребован промышленностью, потому что его основных потребителей – автомобиле- и самолетостроения тогда просто не было. Здесь в полной мере проявился удивительный дар Ипатьева – он видел на десятилетия вперед, его фундаментальные исследования торили дорогу будущим поколениям. В 1896 году академия направила Ипатьева на стажировку за границу. Германия, Мюнхен, лаборатория Адольфа фон Байера (1835–1917), ставшего вскоре одним из первых лауреатов Нобелевской премии по химии, – лучшее в то время место для продолжения образования в области органической химии. Впрочем, «господин тайный советник» (так надлежало обращаться к Байеру) редко лично занимался с «постдоками», а выполненные под его руководством исследования публиковал исключительно под своей фамилией. Но вот Ипатьева взял под свое крыло, и статьи, посвященные синтезу изопрена, выполненному Ипатьевым впервые в мире, они опубликовали вместе. Байер верно угадал в этом напористом русском, плохо знавшем тогда немецкий язык, будущего генерала – и в жизни, и в науке. Дело дошло до беспрецедентного в истории мюнхенской лаборатории случая: Байер пригласил стажера на семейный ужин, а через несколько дней прибыл с ответным визитом к Ипатьеву и его жене.
После возвращения в Петербург Ипатьев приступил к самостоятельным исследованиям, и открытия последовали ошеломляющей чередой, едва ли не ежегодно. Первое родилось, как часто бывает, случайно. Ипатьев изучал разложение спиртов при высокой температуре, при шестистах градусах. Тогда считалось, что при такой температуре ничего хорошего из органических соединений получить нельзя, они просто разваливались на части, и, что хуже всего, разваливались непредсказуемым образом. Но химики традиционно работали в стеклянной посуде, а Ипатьев, истинный артиллерист, использовал железные трубки. В этих условиях он неожиданно получил из спиртов вполне определенные органические соединения – альдегиды и кетоны. Он догадался, что все дело в материале трубок, в железе, которое изменило направление реакции и выступало в качестве катализатора процесса.
Так Ипатьев впервые столкнулся с явлением катализа, которому он оставался верен на протяжении всей своей жизни. Чтобы оценить значимость открытия, вспомним, что катализ в те годы был совсем молодой областью науки, именно науки, потому что о его промышленном использовании даже речи не было. Было известно, что катализаторами некоторых реакций служат благородные металлы, платина или палладий. И вдруг – железо! Открытие Ипатьева резко расширило круг возможных катализаторов, распространив его на неблагородные металлы. А вскоре Ипатьев показал, что окислы металлов обладают зачастую даже большей каталитической активностью, чем сами металлы. Так дело быстро, за считаные месяцы, дошло до окиси алюминия и алюмосиликатов, попросту говоря, глин, которые были несравненно дешевле платины и палладия. Расширил Ипатьев и перечень возможных реакций, которые можно проводить в присутствии катализаторов, и круг получаемых при этом органических соединений. Например, он впервые получил из этилового спирта, бывшего в то время одним из главных исходных веществ нарождающейся химической промышленности, этилен и бутадиен.
О последнем соединении следует сказать особо. Через четверть века Сергей Васильевич Лебедев (1874–1934), опираясь на работы Ипатьева, впервые в мире запустил промышленный процесс получения синтетического каучука. Делали его полимеризацией бутадиена. Ипатьев же первым получил другой, не менее важный, полимер – полиэтилен. Это было еще одно открытие, ценность которого оценили по прошествии десятилетий и плодами которого мы пользуемся ежедневно до сих пор.
Ипатьев является также пионером применения высоких давлений в химии. В начале этой главы я упоминал, что Нобелевскую премию за это получил Карл Бош, усовершенствовавший в 1909–1913 годах процесс каталитического синтеза аммиака Фрица Габера. Но приоритет в этой области все ученые мира отдают Ипатьеву, сконструировавшему в 1903 году аппарат, позволявший осуществлять химические реакции при давлении до 450 атмосфер и температуре до 550 °C. Такие характеристики казались в то время несбыточными и даже невозможными. Ипатьеву весьма помогла его артиллерийская подготовка, ведь в канале ствола орудия при выстреле достигаются и не такие параметры. Аппарат был изготовлен по чертежам ученого и при его непосредственном участии и образно назван «бомбой». «Бомба Ипатьева» вошла в историю науки, с ее помощью были разработаны многие процессы, легшие в основу современной нефтехимии, – и бог с ней, с Нобелевской премией!
В 1911 году Ипатьев сделал еще одно открытие. В сконструированном им аппарате он получил из газообразного этилена «искусственную нефть», а еще через тридцать лет, уже находясь в США, довел эту работу до промышленного применения. Именно из этилена во время Второй мировой войны получали высокооктановый бензин, которым заправляли самолеты союзников. Не случайно на обелиске, установленном на Свято-Владимирском кладбище в Нью-Джерси, США, написано: «В память о русском гении Владимире Николаевиче Ипатьеве, изобретателе октанового бензина».
Но до Второй мировой войны была Первая. В начале 1915 года генерал-лейтенант Ипатьев возглавил Химический комитет, ведавший химической промышленностью всей страны. По сути, он создал ее заново. Принято считать, что глобализация – примета нашего времени. При этом забывают о высочайшей интеграции стран, достигнутой в начале XX века. Достаточно сказать, что мировая торговля находилась на таком уровне, что ее объем после войн и революций удалось восстановить (в сопоставимых ценах) лишь к 80-м годам. С началом Первой мировой войны выявились и недостатки тогдашней глобализации. Дело в том, что большинство химических продуктов, необходимых для производства взрывчатых веществ, Россия ввозила из-за границы, преимущественно из Германии. Речь шла о базовых веществах – толуоле, азотной кислоте, аммиаке, селитре, потребность в которых исчислялась миллионами тонн. Ипатьеву пришлось озаботиться не просто строительством новых заводов, а организацией новых отраслей химической промышленности. Поразительно, но в этой пиковой ситуации ставка во многих случаях делалась не на апробированные, а принципиально новые технологии. Например, в Германии толуол (для производства тринитротолуола, тротила) выделяли из газов коксования угля, в России его впервые в мире стали получать из нефти. Ипатьев также разработал и внедрил процесс прямого получения селитры окислением аммиака. Вследствие его усилий уже к концу 1915 года производство взрывчатых веществ в стране возросло в 50 раз на частных предприятиях и вдвое на государственных.
В годы Первой мировой войны появилось еще одно новое оружие – боевые отравляющие вещества. Ипатьев по долгу службы занимался как созданием средств защиты от них, так и организацией их производства. Показательно, что это никогда не ставилось ему в вину, в отличие от Фрица Габера, отца немецкого химического оружия. Личное участие в его применении в боевых условиях стоило Габеру потери репутации и вообще жизненного краха. Война породила революцию со всеми вытекающими последствиями: развалом всего и вся, анархией, массовым бандитизмом. Так что в определенной степени Ипатьев даже приветствовал захват власти большевиками, потому что, по его собственному признанию, в России в то время не было другой силы, способной остановить «разъяренную стихию, могущую бессознательно разрушить всю страну». Более того, Ипатьев с первых дней пошел на сотрудничество с новой властью, сохранив, по сути дела, пост, который он занимал в царском правительстве, – Ипатьев стал председателем технического управления при Военном совете республики и постоянным членом этого совета.
За время жизни Ипатьева и в значительной мере благодаря его работам катализ претерпел разительные перемены. Если в конце XIX века катализаторы были предметом сугубо академических исследований с туманными перспективами их применения в промышленности, то в середине века XX, наоборот, уже невозможно было представить химическую промышленность без использования катализа. В настоящее время каталитические процессы обеспечивают более 80 % продукции химических отраслей и около 20 %. ВВП развитых стран. Вы только вдумайтесь в последнее число: ведь это больше, чем вклад электроники, автомобилестроения, строительства, любой другой отрасли материального производства!
Какое отношение это имеет к нанотехнологиям? Непосредственное! Катализаторы, металлы и окислы металлов, представляют собой твердые вещества. Понятно, что превращения различных соединений происходят на их поверхности. Чем больше поверхность, тем выше производительность катализатора. А высокой удельной величиной поверхности обладают только структуры, характеризующиеся наноразмерами. Об одном из таких веществ я уже рассказывал. Это – цеолиты с их поразительной по красоте структурой, состоящей из многогранных полостей размером чуть более нанометра, соединенных столь же геометрически правильными «окнами», удивительный продукт природных нанотехнологий, расшифрованный, скопированный и усовершенствованный учеными. В настоящее время цеолиты используют, например, для получения высокооктанового бензина, для осуществления множества других реакций нефтехимического синтеза, для обессеривания нефтяных фракций, на их основе создают катализаторы дожигания отходящих газов автомобильных двигателей и т. д. Суммарная стоимость химической продукции и моторного топлива, производимых ежегодно с использованием цеолитов, давно превысила 1 триллион долларов. К слову сказать, именно в такую сумму оценивают перспективный рынок продукции всех нанотехнологий. Даже интересно, как при этих расчетах оценивали вклад цеолитных катализаторов? Или о них просто забыли?
Майкл Фарадей:
Мы привыкли считать Фарадея великим физиком, но в его научной биографии был длительный «химический период», он сделал ряд важнейших открытий в химии и, кстати, за эти работы был избран в 1830 году почетным членом Петербургской академии наук. Поразительно, но многие открытия он делал как бы походя, откликаясь на просьбы друзей, знакомых и промышленников и не придавая им, открытиям, большого значения. Вот, например, история, произошедшая во времена, когда Лондон переводили на газовое освещение. Газ тогда получали из угольных шахт и собирали в железные баллоны, которые устанавливали в подвалах домов. Жители к новшеству относились настороженно, Вальтер Скотт язвительно писал, что теперь Лондон будет освещаться «угольным дымом», да и сам Гемфри Дэви сомневался в жизнеспособности проекта. Но главная проблема заключалась в том, что с газом при перевозке что-то происходило и он уже не светил так ярко. В 1824 году промышленники попросили Фарадея разобраться в этом. Он довольно быстро установил, что в состав газа входят частицы, усиливающие его свечение при горении, но при перевозке и хранении осаждающиеся на стенках баллона в виде летучей маслянистой жидкости. Из нее Фарадей выделил новое вещество, которое заняло одно из центральных мест в теории и практике химии. Это был бензол. Фарадей установил состав бензола, споры же о строении этой простой молекулы продолжались, как мы помним, более столетия. Фарадей изучил некоторые химические свойства бензола и действием хлора получил из него гексахлоран. Эта реакция фигурирует во всех школьных учебниках. Он вообще первым получил хлорсодержащие органические соединения.
За пределами лаборатории Фарадей увлеченно занимался преподавательской деятельностью и популяризацией науки. Он прочитал огромное число публичных лекций с непременными демонстрациями экспериментов, в чем он был истинным виртуозом. Кстати, его цикл из шести лекций под названием «Химическая история свечи» издается до сих пор. Это поистине классика научно-популярного жанра. Не менее известны в Англии того времени были и его воскресные проповеди, собиравшие множество людей из самых разных слоев общества, включая его коллег-ученых. Фарадей был глубоко верующим человеком и принадлежал к одной из самых ортодоксальных сект англиканской церкви – сандиманианской. В 1860 году он даже стал ее старейшиной. Как в одной голове могли укладываться занятия естественными науками и буквальная вера в тексты Ветхого Завета, понять трудно, но Фарадей все это прекрасно совмещал и, более того, считал, что вера в Бога помогает ему лучше проникать в тайны мироздания.
Фарадей заложил основы современной физики и химии, открыл электрические, магнитные и оптические явления, без которых немыслимы нанотехнологии во всех своих приложениях. Но я хочу сосредоточиться на одном эксперименте Фарадея, выполненном в 1847 г. и продемонстрированном широкой публике в 1858 году на лекции «О связи золота со светом». Посмотреть действительно было на что. Фарадей растворил золото в царской водке и затем вновь восстановил его до металла фосфором. Частички металла были настолько малы, что их невозможно было разглядеть даже под микроскопом, они свободно плавали в растворе, который казался абсолютно прозрачным. А самое главное – он был вишнево-красным. Небольшое изменение условий восстановления, и вот уже перед зрителями представала взвесь «синего» золота. То, что это именно металлическое золото, показывал анализ осадка – «черни», которая со временем выпадала из раствора. Если же Фарадей добавлял в раствор желатин, то прекрасные красные и синие растворы сохранялись неизменными на протяжении недель и месяцев. Еще тогда Фарадей предположил, что цвет золотых частиц зависит от их размера. Он был первым, кто получил в лаборатории наночастицы металла, и он же первым обнаружил так называемый размерный эффект. Я не случайно оговорился: в лаборатории. Дело в том, что «цветное» золото было известно на протяжении веков, если не тысячелетий. С его помощью окрашивали стекла еще в Древнем Риме, затем на его основе делали витражи средневековых соборов, сохранивших свои яркие краски до наших дней. В XVI веке знаменитый алхимик и врач Парацельс использовал «питьевое» золото для лечения заболеваний – он считал его необходимым компонентом «эликсира жизни». В XVII веке полагавшийся утерянным рецепт изготовления витражей был заново открыт гамбургским стеклодувом Андреасом Кассием. «Кассиев пурпур» получали восстановлением растворов соединений золота хлоридом олова, при его введении в расплавленную стеклянную массу получали великолепное «рубиновое стекло», равномерно окрашенное по всему объему. «Кассиев пурпур» использовали также в росписях по стеклу и фарфору для создания всех оттенков красного – от слабо-розового до ярко-алого... Золото любимо популяризаторами нанотехнологий. Золото на слуху и известно всем, это вам не какой-нибудь экзотический арсенид галлия (который, между нами говоря, для современной техники в целом и нанотехнологий в частности поважнее золота). Кроме того, на примере золота чрезвычайно удобно объяснять основные принципы нанотехнологий. Действительно, при переходе от массивного золота к наночастицам мы наблюдаем кардинальное изменение свойств: на несколько сотен градусов уменьшается температура плавления, изменяются оптические характеристики вещества, а именно – цвет и его химические свойства – «благородное» золото превращается в довольно активный металл. Все это яркие и убедительные примеры возникновения новых качеств при переходе на наноуровень, проявления необычных и неожиданных свойств нанообъектов.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 353; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!