Страница:
Ответа же на вопрос, почему мыло смывает жир и грязь, пришлось ждать еще четверть века. Начало разгадке положил в 1913 году канадский химик Джеймс Уильям Макбейн (1882–1953), работавший тогда в английском Университете Бристоля. Он изучал электропроводность растворов мыла, которая оказалась аномально высокой. Для объяснения полученных результатов он предположил, что самоорганизация молекул мыла может протекать не только на поверхности, но и в объеме раствора. Следуя Макбейну, мы можем зримо представить, как это происходит: гидрофобные “хвосты” молекул мыла сплетаются между собой, образуя подобие капельки масла, поверхность которой покрыта гидрофильными “головками”, обращенными к воде. Эти гипотетические частицы Макбейн назвал мицеллами.
Последующие исследователи подтвердили правильность его предположения. Оказалось, что размер мицелл наиболее распространенных ПАВ составляет несколько нанометров, а в их состав входит несколько десятков молекул. Формируются мицеллы весьма необычно. Логично было бы предположить, что сначала в растворе образуются агрегаты из двух молекул, потом из трех и так до тех пор, пока не возникнет полноценная мицелла. Для нас, высших животных, такое поведение вполне естественно. Когда-то наши предки бродили в одиночестве по лесам и степям, потом стали сбиваться в семьи, роды, племена, чтобы в итоге превратиться в народ, нацию. Молекулы ПАВ ведут себя по-другому, при достижении некоторой критической концентрации в растворе они собираются в мицеллу без всяких промежуточных альянсов, раз – и готово! Кроме того, размер мицеллы остается практически постоянным при дальнейшем росте концентрации ПАВ, увеличивается при этом не число молекул ПАВ в мицелле, а число мицелл в растворе. То есть молекулы сразу находят оптимальный размер их сообщества, обеспечивающий им стабильное и комфортное существование, то, к чему мы, люди, приходим мучительным путем проб и ошибок.
Одно из важнейших свойств мицелл – способность поглощать молекулы гидрофобных веществ. Понятно, что “рабочим телом” здесь служит ядро мицеллы, сам процесс, по сути, аналогичен экстракции гидрофобных соединений из воды органическим растворителем типа бензина, а мицеллы служат экстракторами нанометровых размеров, или нанореакторами. Внешне же все выглядит как растворение в присутствии мицелл нерастворимых в воде соединений, поэтому оно получило название “солюбилизация”. Именно на этом эффекте основано действие мыла и других моющих средств.
Но вернемся к слоям ПАВ на поверхности воды. Как уже было сказано, Агнесс Покелс выступила в качестве забойщицы этой области коллоидной химии, основные же исследования развернулись четверть века спустя. Вероятно, вы ждете рассказа об Ирвинге Ленгмюре, и, действительно, он вполне заслуживает звания одного из главных апостолов нанотехнологий. Но, с другой стороны, мужчин-ученых в нашей книге и так подавляющее большинство, что ни в коей мере не соответствует как доле женщин в науке, так и их реальному вкладу в научные открытия. Так что расскажу-ка я лучше об одной сотруднице Ленгмюра, которая во многих отношениях была первой.
Кэтрин Блоджетт родилась в Скенектади, штат Нью-Йорк, 10 января 1898 года. За несколько недель до ее рождения в семье произошла трагедия: вооруженный грабитель, проникший в их дом, застрелил отца Кэти, начальника патентного отдела компании “Дженерал электрик”. Компания объявила награду в пять тысяч долларов за поимку убийцы, но потери было не вернуть. Впрочем, семья была достаточно обеспечена финансово, что позволило молодой вдове с сыном Джорджем и маленькой Кэти перебраться сначала в Нью-Йорк, а в 1901 году – во Францию, где они прожили одиннадцать лет.
После возвращения в США Кэти поступила в частную женскую школу в Нью-Йорке, а затем в женский Колледж свободных искусств в Брин-Маре, штат Пенсильвания. Не стоит пренебрежительно относиться к словам “женский” и “свободные искусства”. В то время в США, как и в большинстве других развитых стран, господствовала система раздельного обучения, что было, несомненно, шагом вперед по сравнению с исключительно мужским образованием. А “свободные искусства” включали математику и физику. По уровню их преподавания женские колледжи группы “Семь сестер”, в которую входил и Колледж Брин-Мар, не сильно уступали мужской Лиге плюща.
Незадолго до окончания колледжа произошло знаменательное событие. В рождественские каникулы группу школьниц направили на экскурсию в Скенектади, в исследовательскую лабораторию компании “Дженерал электрик”. Там еще работали люди, помнившие старину Блоджетта, так что Кэти встретили как родную. Ее представили новой “звезде” компании, довольно молодому, тридцатипятилетнему мужчине, докторанту Гёттингена, блестящему ученому и просто красавцу Ирвингу Ленгмюру. Судьба Кэти была решена: она будет работать вместе с ним и будет заниматься… тем, чем занимается он. “Сначала выучись”, – сказал Ленгмюр, отложив решение проблемы на потом. Девушка произвела на него сильное впечатление – своей любознательностью и энтузиазмом, проблема же заключалась в том, что в исследовательский центр “Дженерал электрик” не принимали женщин.
В 1917 году Блоджетт поступила в Чикагский университет. Ее дипломная работа была посвящена изучению адсорбции различных веществ активированным углем. Эта “вечная” тема имела самое непосредственное отношение к усовершенствованию противогаза, единственному средству защиты от отравляющих газов, широко применявшихся в Первой мировой войне. Не меньшее значение для Кэти имело и то, что ее работа находилась в русле научных интересов Ленгмюра.
Кэти стала-таки сотрудницей исследовательского центра “Дженерал электрик”. Подозреваю, что при этом руководители компании в первую очередь отдавали долг памяти ее отцу и лишь во вторую воздавали должное способностям девушки, но им не пришлось раскаиваться в своем решении.
Заниматься ей выпало не адсорбцией, а лампами накаливания. Компанию возглавлял Томас Эдисон, изобретатель этих самых ламп. Он был убежден, что идеальная лампочка получается только при использовании высокого вакуума. Ленгмюр, вскоре после своего прихода в компанию в 1909 году, доказал ошибочность этого взгляда. Лампы, заполненные азотом при нормальном давлении, светили сильнее и ярче, были проще в производстве и безопаснее. А еще Ленгмюр обнаружил, что нанесение тончайшего, нанометрового слоя окиси тория на поверхность вольфрамовой нити улучшает ее характеристики. Все эти изменения в технологии принесли компании огромную прибыль, неудивительно, что на работы в этой области были брошены лучшие силы.
В 1924 году компания направила Блоджетт на стажировку в Англию, в Кавендишскую лабораторию, которой в то время руководил Эрнст Резерфорд. Кэти не стушевалась в сугубо мужском коллективе, в состав которого входил, в частности, П.Л. Капица. Она стала первой женщиной, получившей докторскую степень по физике, в истории Кембриджского университета.
По возвращении из Англии Блоджетт наконец занялась делом своей жизни – изучением слоев поверхностно-активных веществ. К этому времени Ленгмюр изобрел устройство, вошедшее в историю под его именем, “ванну Ленгмюра”, которая действительно напоминала ванну, но с подвижными стенками. За счет этого можно было растягивать и сжимать слой мыла на поверхности воды. Ванна, мыло – эти слова ассоциировались с женщинами, возможно, поэтому Ленгмюр отдал эти исследования на откуп Кэти.
Они научились делать с молекулами мыла все, чего ни пожелаешь. При низких концентрациях молекулы плавали поодиночке на поверхности воды и вели себя как своеобразный двумерный газ. С ростом концентрации они конденсировались в плоские “жидкие” капли, а затем “застывали” в сплошной слой толщиной в одну молекулу, который при сжатии приобретал строго регулярную структуру, подобную кристаллу. Эти и многие другие полученные ими результаты были чрезвычайно интересны с научной точки зрения и вполне заслуживали присуждения Нобелевской премии, но их практическая значимость была нулевой. Ведь все эти слои получали на поверхности воды, субстанции, как известно, текучей и изменчивой.
Все переменилось, когда Блоджетт придумала, как переносить эти слои на твердую подложку. В том, что придумала это именно Кэти, сомнений нет. Да, в научной литературе употребляют словосочетание “слои (метод) Ленгмюра – Блоджетт”, но в патентах фигурирует только одна фамилия – Блоджетт. Наука наукой, а роялти врозь.
Метод чрезвычайно прост, как и все великое. Плотный слой мыла на поверхности воды можно уподобить прочному покрывалу, одна сторона которого, обращенная к воде, гидрофильна, а другая – гидрофобна. Возьмем теперь тонкую пластинку, подведем ее стоймя под слой мыла и начнем поднимать вертикально вверх. Вода будет стекать по стенкам, а “покрывало” будет плотно облегать поверхность пластинки. Этот опыт вы можете воспроизвести у себя дома, в тазу или ванне. Все, что вам нужно, – это вода, мыло и хорошо отмытая стеклянная пластинка, на которой вода растекается тонким слоем. Сделав все описанные выше манипуляции, вы получите пластинку, на которой вода собирается в капли. Получилось? Поздравляю, вы только что нанесли на поверхность пластинки слой толщиной в два нанометра и практически осуществили один из классических процессов нанотехнологий.
Технология, конечно, более сложна. Вы и сами, исходя из бытового опыта, уже догадались, что “покрывало” при таком подъеме непременно должно натягиваться и растягиваться, а там и до разрыва недалеко. Вот тут-то и пригодились подвижные стенки, которых, увы, нет в наших ванных. В сконструированном Блоджетт устройстве стенки постепенно сближаются, поддерживая постоянным давление (натяжение) в поверхностном слое. Искусство экспериментатора, желающего получить качественное покрытие, заключается в точном согласовании скорости подъема пластинки и скорости движения стенок ванны.
Как и во всяком деле, самым трудным был первый шаг. Перед Блоджетт, придумавшей, как нанести мономолекулярный слой на твердую поверхность, открылись широчайшие перспективы. Вот и вы, проделав на практике или мысленно описанный выше эксперимент, наверняка уже задавались вопросом: а зачем непременно поднимать пластинку снизу вверх, ведь это так неудобно, почему бы не опускать ее сверху вниз? Что ж, можно делать и так, но при этом “покрывало” ляжет на пластинку другой стороной. “Черный верх, белый низ” трансформируется в “белый верх, черный низ”. Тоже интересно! А кто сказал, что надо брать непременно “голую” пластинку? Действительно, можно взять пластинку с нанесенным на нее монослоем и тем же способом нанести поверх него еще один слой, и еще, и еще. А слои-то могут быть разными, и ориентированы они могут быть по-разному, и т. д. и т. п. Все это не что иное, как молекулярный конструктор, в который можно играть до бесконечности.
Сейчас в научно-популярной да даже и в научной литературе можно встретить утверждения, что в 1930-е годы метод Ленгмюра – Блоджетт вызывал чисто академический интерес, практическую же его реализацию стимулировало лишь развитие нанотехнологий – детища нашего времени. На самом деле это не так. Не будем забывать, что Ленгмюр с Блоджетт работали в компании “Дженерал электрик”, которую интересовали в первую очередь практические результаты.
Я уже рассказывал об оптических эффектах в тонких слоях, связанных с отражением света и интерференцией. Вот и Блоджетт обнаружила, что цвет получаемых ею “слоеных пирогов” зависит как от химической природы молекул поверхностно-активного вещества, так и от числа слоев. Она составила детальную цветную шкалу, позволявшую легко определять толщину нанесенного покрытия без каких-либо измерений. А еще Блоджетт обнаружила, что при определенных условиях покрытие вообще практически не отражает падающий свет, пропуская более 99 %. Оно не только само становится невидимым, но и делает идеально прозрачным стекло, на которое оно нанесено. “Просветленная оптика” – так это называется, и люди, профессионально занимающиеся фотографией, прекрасно знакомы с этим термином.
О создании “невидимого” стекла компания “Дженерал электрик” объявила в 1938 году, не вдаваясь в технические детали. Они стали известны из патента, полученного Блоджетт в 1940 году. Наилучшие результаты были получены ею при нанесении 44 (!) мономолекулярных слоев стеарата бария на поверхность стекла.
Не вина Блоджетт, что эти исследования были остановлены. Таково было решение компании, кроме того, в дело вмешалась Вторая мировая война. Блоджетт разрабатывала составы, предотвращающие обледенение самолетов, и рецептуру дымовых смесей, она занималась тем же, чем занимался в те годы Ирвинг Ленгмюр.
За сорок лет своей научной деятельности Блоджетт опубликовала тридцать научных статей и получила восемь патентов. В положенное время она все же вышла на пенсию и прожила еще почти двадцать лет в своем доме в Скенектади, городке, где она родилась и проработала всю жизнь. Мужем она так и не обзавелась и детей не родила. Единственный родной ей человек, брат Джордж, сгинул в начале 1950-х годов в джунглях Коста-Рики, разбившись на пилотируемом им спортивном самолете. А в 1957 году ушел из жизни Ирвинг Ленгмюр.
По воспоминаниям современников, Кэтрин была весьма активной дамой: играла в любительском театре, участвовала в разных гражданских и благотворительных мероприятиях, днем возилась в саду, по вечерам играла в бридж с друзьями, а по ночам наблюдала звезды в телескоп. Вот уж воистину интеллигентному человеку никогда не бывает скучно, даже наедине с самим собой он всегда найдет чем заняться.
Кэтрин Блоджетт повезло в жизни в том смысле, что она смогла реализовать свои способности. И в то же время ее судьба чем-то напоминает судьбу Агнесс Покелс, не так ли?
Сейчас фамилия Блоджетт на слуху у всего научного сообщества, хотя склоняют ее часто как мужскую не столько из-за мужского шовинизма (грешат этим и женщины), сколько из-за пренебрежения историей вопроса, историей всего. Ежегодно проводятся научные конференции, посвященные исключительно слоям Ленгмюра – Блоджетт, сокращение ЛБ (LB) не нуждается в расшифровке в специальной литературе. Интерес к ним действительно резко возрос в эпоху нанотехнологий, но я бы затруднился дать однозначный ответ на вопрос, что здесь причина, а что – следствие.
С помощью молекулярного конструктора Блоджетт на поверхности различных подложек получают тончайшие слои (вплоть до толщины в один атом) электропроводящих, полупроводниковых и магнитных веществ. Подвижные слои поверхностно-активных веществ армируют холестерином и другими соединениями, придавая им твердость, на их поверхность или внутрь вводят молекулы белков, все в целом это чрезвычайно напоминает – вы абсолютно правы! – мембраны клеток живых организмов.
ЛБ-слои сами могут служить подложкой для образования и роста неорганических кристаллов. Похожим образом в живых организмах формируются кости, зубы, панцири, и мы, моделируя и воспроизводя Природу, сможем с помощью метода Блоджетт получить новые бионеорганические материалы (их иногда называют биокерамикой) для протезирования или иных технических целей.
Это дело будущего, но уже сейчас ЛБ-слои используют для производства рентгеновских дифракционных решеток, газовых сенсоров, рабочих элементов так называемых первапорационных мембран, позволяющих разделять небольшие по размеру молекулы различных веществ, наноразмерных диэлектрических покрытий и прослоек в электронных устройствах и многого другого. Нанотехнологии в действии.
Глава 4
Последующие исследователи подтвердили правильность его предположения. Оказалось, что размер мицелл наиболее распространенных ПАВ составляет несколько нанометров, а в их состав входит несколько десятков молекул. Формируются мицеллы весьма необычно. Логично было бы предположить, что сначала в растворе образуются агрегаты из двух молекул, потом из трех и так до тех пор, пока не возникнет полноценная мицелла. Для нас, высших животных, такое поведение вполне естественно. Когда-то наши предки бродили в одиночестве по лесам и степям, потом стали сбиваться в семьи, роды, племена, чтобы в итоге превратиться в народ, нацию. Молекулы ПАВ ведут себя по-другому, при достижении некоторой критической концентрации в растворе они собираются в мицеллу без всяких промежуточных альянсов, раз – и готово! Кроме того, размер мицеллы остается практически постоянным при дальнейшем росте концентрации ПАВ, увеличивается при этом не число молекул ПАВ в мицелле, а число мицелл в растворе. То есть молекулы сразу находят оптимальный размер их сообщества, обеспечивающий им стабильное и комфортное существование, то, к чему мы, люди, приходим мучительным путем проб и ошибок.
Одно из важнейших свойств мицелл – способность поглощать молекулы гидрофобных веществ. Понятно, что “рабочим телом” здесь служит ядро мицеллы, сам процесс, по сути, аналогичен экстракции гидрофобных соединений из воды органическим растворителем типа бензина, а мицеллы служат экстракторами нанометровых размеров, или нанореакторами. Внешне же все выглядит как растворение в присутствии мицелл нерастворимых в воде соединений, поэтому оно получило название “солюбилизация”. Именно на этом эффекте основано действие мыла и других моющих средств.
Но вернемся к слоям ПАВ на поверхности воды. Как уже было сказано, Агнесс Покелс выступила в качестве забойщицы этой области коллоидной химии, основные же исследования развернулись четверть века спустя. Вероятно, вы ждете рассказа об Ирвинге Ленгмюре, и, действительно, он вполне заслуживает звания одного из главных апостолов нанотехнологий. Но, с другой стороны, мужчин-ученых в нашей книге и так подавляющее большинство, что ни в коей мере не соответствует как доле женщин в науке, так и их реальному вкладу в научные открытия. Так что расскажу-ка я лучше об одной сотруднице Ленгмюра, которая во многих отношениях была первой.
Кэтрин Блоджетт родилась в Скенектади, штат Нью-Йорк, 10 января 1898 года. За несколько недель до ее рождения в семье произошла трагедия: вооруженный грабитель, проникший в их дом, застрелил отца Кэти, начальника патентного отдела компании “Дженерал электрик”. Компания объявила награду в пять тысяч долларов за поимку убийцы, но потери было не вернуть. Впрочем, семья была достаточно обеспечена финансово, что позволило молодой вдове с сыном Джорджем и маленькой Кэти перебраться сначала в Нью-Йорк, а в 1901 году – во Францию, где они прожили одиннадцать лет.
После возвращения в США Кэти поступила в частную женскую школу в Нью-Йорке, а затем в женский Колледж свободных искусств в Брин-Маре, штат Пенсильвания. Не стоит пренебрежительно относиться к словам “женский” и “свободные искусства”. В то время в США, как и в большинстве других развитых стран, господствовала система раздельного обучения, что было, несомненно, шагом вперед по сравнению с исключительно мужским образованием. А “свободные искусства” включали математику и физику. По уровню их преподавания женские колледжи группы “Семь сестер”, в которую входил и Колледж Брин-Мар, не сильно уступали мужской Лиге плюща.
Незадолго до окончания колледжа произошло знаменательное событие. В рождественские каникулы группу школьниц направили на экскурсию в Скенектади, в исследовательскую лабораторию компании “Дженерал электрик”. Там еще работали люди, помнившие старину Блоджетта, так что Кэти встретили как родную. Ее представили новой “звезде” компании, довольно молодому, тридцатипятилетнему мужчине, докторанту Гёттингена, блестящему ученому и просто красавцу Ирвингу Ленгмюру. Судьба Кэти была решена: она будет работать вместе с ним и будет заниматься… тем, чем занимается он. “Сначала выучись”, – сказал Ленгмюр, отложив решение проблемы на потом. Девушка произвела на него сильное впечатление – своей любознательностью и энтузиазмом, проблема же заключалась в том, что в исследовательский центр “Дженерал электрик” не принимали женщин.
В 1917 году Блоджетт поступила в Чикагский университет. Ее дипломная работа была посвящена изучению адсорбции различных веществ активированным углем. Эта “вечная” тема имела самое непосредственное отношение к усовершенствованию противогаза, единственному средству защиты от отравляющих газов, широко применявшихся в Первой мировой войне. Не меньшее значение для Кэти имело и то, что ее работа находилась в русле научных интересов Ленгмюра.
Кэти стала-таки сотрудницей исследовательского центра “Дженерал электрик”. Подозреваю, что при этом руководители компании в первую очередь отдавали долг памяти ее отцу и лишь во вторую воздавали должное способностям девушки, но им не пришлось раскаиваться в своем решении.
Заниматься ей выпало не адсорбцией, а лампами накаливания. Компанию возглавлял Томас Эдисон, изобретатель этих самых ламп. Он был убежден, что идеальная лампочка получается только при использовании высокого вакуума. Ленгмюр, вскоре после своего прихода в компанию в 1909 году, доказал ошибочность этого взгляда. Лампы, заполненные азотом при нормальном давлении, светили сильнее и ярче, были проще в производстве и безопаснее. А еще Ленгмюр обнаружил, что нанесение тончайшего, нанометрового слоя окиси тория на поверхность вольфрамовой нити улучшает ее характеристики. Все эти изменения в технологии принесли компании огромную прибыль, неудивительно, что на работы в этой области были брошены лучшие силы.
В 1924 году компания направила Блоджетт на стажировку в Англию, в Кавендишскую лабораторию, которой в то время руководил Эрнст Резерфорд. Кэти не стушевалась в сугубо мужском коллективе, в состав которого входил, в частности, П.Л. Капица. Она стала первой женщиной, получившей докторскую степень по физике, в истории Кембриджского университета.
По возвращении из Англии Блоджетт наконец занялась делом своей жизни – изучением слоев поверхностно-активных веществ. К этому времени Ленгмюр изобрел устройство, вошедшее в историю под его именем, “ванну Ленгмюра”, которая действительно напоминала ванну, но с подвижными стенками. За счет этого можно было растягивать и сжимать слой мыла на поверхности воды. Ванна, мыло – эти слова ассоциировались с женщинами, возможно, поэтому Ленгмюр отдал эти исследования на откуп Кэти.
Они научились делать с молекулами мыла все, чего ни пожелаешь. При низких концентрациях молекулы плавали поодиночке на поверхности воды и вели себя как своеобразный двумерный газ. С ростом концентрации они конденсировались в плоские “жидкие” капли, а затем “застывали” в сплошной слой толщиной в одну молекулу, который при сжатии приобретал строго регулярную структуру, подобную кристаллу. Эти и многие другие полученные ими результаты были чрезвычайно интересны с научной точки зрения и вполне заслуживали присуждения Нобелевской премии, но их практическая значимость была нулевой. Ведь все эти слои получали на поверхности воды, субстанции, как известно, текучей и изменчивой.
Все переменилось, когда Блоджетт придумала, как переносить эти слои на твердую подложку. В том, что придумала это именно Кэти, сомнений нет. Да, в научной литературе употребляют словосочетание “слои (метод) Ленгмюра – Блоджетт”, но в патентах фигурирует только одна фамилия – Блоджетт. Наука наукой, а роялти врозь.
Метод чрезвычайно прост, как и все великое. Плотный слой мыла на поверхности воды можно уподобить прочному покрывалу, одна сторона которого, обращенная к воде, гидрофильна, а другая – гидрофобна. Возьмем теперь тонкую пластинку, подведем ее стоймя под слой мыла и начнем поднимать вертикально вверх. Вода будет стекать по стенкам, а “покрывало” будет плотно облегать поверхность пластинки. Этот опыт вы можете воспроизвести у себя дома, в тазу или ванне. Все, что вам нужно, – это вода, мыло и хорошо отмытая стеклянная пластинка, на которой вода растекается тонким слоем. Сделав все описанные выше манипуляции, вы получите пластинку, на которой вода собирается в капли. Получилось? Поздравляю, вы только что нанесли на поверхность пластинки слой толщиной в два нанометра и практически осуществили один из классических процессов нанотехнологий.
Технология, конечно, более сложна. Вы и сами, исходя из бытового опыта, уже догадались, что “покрывало” при таком подъеме непременно должно натягиваться и растягиваться, а там и до разрыва недалеко. Вот тут-то и пригодились подвижные стенки, которых, увы, нет в наших ванных. В сконструированном Блоджетт устройстве стенки постепенно сближаются, поддерживая постоянным давление (натяжение) в поверхностном слое. Искусство экспериментатора, желающего получить качественное покрытие, заключается в точном согласовании скорости подъема пластинки и скорости движения стенок ванны.
Как и во всяком деле, самым трудным был первый шаг. Перед Блоджетт, придумавшей, как нанести мономолекулярный слой на твердую поверхность, открылись широчайшие перспективы. Вот и вы, проделав на практике или мысленно описанный выше эксперимент, наверняка уже задавались вопросом: а зачем непременно поднимать пластинку снизу вверх, ведь это так неудобно, почему бы не опускать ее сверху вниз? Что ж, можно делать и так, но при этом “покрывало” ляжет на пластинку другой стороной. “Черный верх, белый низ” трансформируется в “белый верх, черный низ”. Тоже интересно! А кто сказал, что надо брать непременно “голую” пластинку? Действительно, можно взять пластинку с нанесенным на нее монослоем и тем же способом нанести поверх него еще один слой, и еще, и еще. А слои-то могут быть разными, и ориентированы они могут быть по-разному, и т. д. и т. п. Все это не что иное, как молекулярный конструктор, в который можно играть до бесконечности.
Сейчас в научно-популярной да даже и в научной литературе можно встретить утверждения, что в 1930-е годы метод Ленгмюра – Блоджетт вызывал чисто академический интерес, практическую же его реализацию стимулировало лишь развитие нанотехнологий – детища нашего времени. На самом деле это не так. Не будем забывать, что Ленгмюр с Блоджетт работали в компании “Дженерал электрик”, которую интересовали в первую очередь практические результаты.
Я уже рассказывал об оптических эффектах в тонких слоях, связанных с отражением света и интерференцией. Вот и Блоджетт обнаружила, что цвет получаемых ею “слоеных пирогов” зависит как от химической природы молекул поверхностно-активного вещества, так и от числа слоев. Она составила детальную цветную шкалу, позволявшую легко определять толщину нанесенного покрытия без каких-либо измерений. А еще Блоджетт обнаружила, что при определенных условиях покрытие вообще практически не отражает падающий свет, пропуская более 99 %. Оно не только само становится невидимым, но и делает идеально прозрачным стекло, на которое оно нанесено. “Просветленная оптика” – так это называется, и люди, профессионально занимающиеся фотографией, прекрасно знакомы с этим термином.
О создании “невидимого” стекла компания “Дженерал электрик” объявила в 1938 году, не вдаваясь в технические детали. Они стали известны из патента, полученного Блоджетт в 1940 году. Наилучшие результаты были получены ею при нанесении 44 (!) мономолекулярных слоев стеарата бария на поверхность стекла.
Не вина Блоджетт, что эти исследования были остановлены. Таково было решение компании, кроме того, в дело вмешалась Вторая мировая война. Блоджетт разрабатывала составы, предотвращающие обледенение самолетов, и рецептуру дымовых смесей, она занималась тем же, чем занимался в те годы Ирвинг Ленгмюр.
За сорок лет своей научной деятельности Блоджетт опубликовала тридцать научных статей и получила восемь патентов. В положенное время она все же вышла на пенсию и прожила еще почти двадцать лет в своем доме в Скенектади, городке, где она родилась и проработала всю жизнь. Мужем она так и не обзавелась и детей не родила. Единственный родной ей человек, брат Джордж, сгинул в начале 1950-х годов в джунглях Коста-Рики, разбившись на пилотируемом им спортивном самолете. А в 1957 году ушел из жизни Ирвинг Ленгмюр.
По воспоминаниям современников, Кэтрин была весьма активной дамой: играла в любительском театре, участвовала в разных гражданских и благотворительных мероприятиях, днем возилась в саду, по вечерам играла в бридж с друзьями, а по ночам наблюдала звезды в телескоп. Вот уж воистину интеллигентному человеку никогда не бывает скучно, даже наедине с самим собой он всегда найдет чем заняться.
Кэтрин Блоджетт повезло в жизни в том смысле, что она смогла реализовать свои способности. И в то же время ее судьба чем-то напоминает судьбу Агнесс Покелс, не так ли?
Сейчас фамилия Блоджетт на слуху у всего научного сообщества, хотя склоняют ее часто как мужскую не столько из-за мужского шовинизма (грешат этим и женщины), сколько из-за пренебрежения историей вопроса, историей всего. Ежегодно проводятся научные конференции, посвященные исключительно слоям Ленгмюра – Блоджетт, сокращение ЛБ (LB) не нуждается в расшифровке в специальной литературе. Интерес к ним действительно резко возрос в эпоху нанотехнологий, но я бы затруднился дать однозначный ответ на вопрос, что здесь причина, а что – следствие.
С помощью молекулярного конструктора Блоджетт на поверхности различных подложек получают тончайшие слои (вплоть до толщины в один атом) электропроводящих, полупроводниковых и магнитных веществ. Подвижные слои поверхностно-активных веществ армируют холестерином и другими соединениями, придавая им твердость, на их поверхность или внутрь вводят молекулы белков, все в целом это чрезвычайно напоминает – вы абсолютно правы! – мембраны клеток живых организмов.
ЛБ-слои сами могут служить подложкой для образования и роста неорганических кристаллов. Похожим образом в живых организмах формируются кости, зубы, панцири, и мы, моделируя и воспроизводя Природу, сможем с помощью метода Блоджетт получить новые бионеорганические материалы (их иногда называют биокерамикой) для протезирования или иных технических целей.
Это дело будущего, но уже сейчас ЛБ-слои используют для производства рентгеновских дифракционных решеток, газовых сенсоров, рабочих элементов так называемых первапорационных мембран, позволяющих разделять небольшие по размеру молекулы различных веществ, наноразмерных диэлектрических покрытий и прослоек в электронных устройствах и многого другого. Нанотехнологии в действии.
Глава 4
Прочность через разрушение
Память человеческая устроена очень странно, какие-то события, порой несущественные, человек помнит крепко, о других, куда более значительных, забывает напрочь, особенно если воспоминания о них ему неприятны или неудобны. Это свойство памяти обостряется у пропагандистов какой-нибудь идеи, тех же нанотехнологий. Например, о книге Вольфганга Оствальда, сына Вильгельма Оствальда, “Мир обойденных величин” они вспоминают часто, ведь в ней описаны разнообразные системы, имеющие наноразмеры. А уж название – лучше не придумаешь, отталкиваясь от него так просто начать рассказ о том, что наномир был долгое время обойден вниманием ученых и лишь в последние годы произошел революционный скачок и все такое прочее. За всеми этими рассуждениями как-то теряется из виду, что книга эта была написана в 1914 году и представляла собой учебник по коллоидной химии. То есть уже в те годы было накоплено достаточное количество вполне устоявшихся знаний о свойствах наноразмерных систем.
В предыдущей главе мы прикоснулись к сравнительно небольшому разделу коллоидной химии. И уж коли нас занесло на это поле, так давайте продолжим его сканирование. И вот что удивительно, куда бы мы ни пошли, везде нам будут попадаться следы, оставленные нашим соотечественником Петром Александровичем Ребиндером.
В 1969 году П.А. Ребиндер вместе с президентом Академии наук СССР М.В. Келдышем был приглашен на празднование 50-летия Шведской королевской академии инженерных наук. Там ему торжественно преподнесли книгу с генеалогическим древом рода Ребиндеров, ведущего отсчет с 1100 года. Имелась в этой книге и запись о рождении в 1898 году Петра Александровича, сына Александра Михайловича Ребиндера и Анны Петровны Ребиндер, урожденной Халютиной.
Прибалтийские немцы, Ребиндеры оставили заметный след в истории Швеции и России. Собственно, в Россию Ребиндеры попали вследствие военного столкновения двух держав в начале XVIII века: основоположник русской ветви рода, подполковник Генрих Ребиндер, один из десяти сыновей губернатора Финляндии барона Генриха фон Ребиндера, был взят в плен под Полтавой в 1709 году. Император Петр I уважительно относился к “своим учителям”, и пленному офицеру был предоставлен в России режим наибольшего благоприятствования. Энергичный и плодовитый род дал новой родине множество военных, вплоть до фельдмаршала, а также дипломатов и общественных деятелей.
П.А. Ребиндер чрезвычайно гордился своей родословной и никогда не отрекался от национальных и дворянских корней, что в условиях коммунистической власти было по меньшей мере безрассудно, а в определенные времена и самоубийственно. Полагаю, что осознание принадлежности к древнему и славному роду не только питало его самоуважение, но и побуждало постоянно двигаться вперед. Звание наследника такого рода ко многому обязывало, ему надо было соответствовать, и П.А. Ребиндер соответствовал.
Знаменитая фамилия была главным, если не единственным, капиталом семьи П.А. Ребиндера. Поместье было давно утеряно, отец Пьерика (так называли мальчика в семье) служил морским врачом, в 1905 году он скончался от туберкулеза после возвращения с Русско-японской войны. Жизнь в столице всегда дорога, и Анна Петровна Ребиндер, кстати, прямой потомок выдающегося русского скульптора И.П. Мартоса, была вынуждена пойти работать учительницей гимназии. Но тут на семью свалилась новая напасть – у мальчика обострилась бронхиальная астма, которой он страдал с раннего детства. В 1909 году по рекомендации врачей Анна Петровна с сыном покинули промозглый Петербург и отправились для лечения в Европу. Судя по всему, пенсии, получаемой за умершего главу семьи и недостаточной для жизни в русской столице, вполне для этого хватало.
Семья провела в Европе пять лет, вплоть до Первой мировой войны, сначала в швейцарской Лозанне, затем в Бретани (Франция) и, наконец, в Италии, в Генуе и Нерви. Там Ребиндер приобщился к европейской культуре, а также приобрел потрясавшую всех легкость в общении и, конечно, свободное владение французским, немецким и итальянским языками (английский он освоил позднее). Именно этот базис общей культуры вкупе с уникальными природными задатками и истинно немецкой организованностью позволил ему совершить феноменальный рывок в освоении естественных наук, предпринятый им в последующие годы.
Ведь, по сути дела, все образование шестнадцатилетнего подростка сводилось к домашнему обучению. Только в этом возрасте он поступил в гимназию. Случилось это в Кисловодске, который был выбран для проживания по медицинским соображениям. Предгорье, теплое лето, мягкая зима с сухой погодой и обилием солнца – та же Лозанна, только русского разлива. Восьмилетний курс гимназии юноша прошел за четыре года, по существу, экстерном, и поступил на химическое отделение Донского университета в Ростове-на-Дону. Университет обладал великолепным штатом преподавателей, переведенных сюда в начале войны из Варшавского университета, по праву считавшегося одним из лучших в Российской империи (мы посетим этот университет в десятой главе).
Так пересеклись жизненные пути студента Петра Ребиндера и профессора Венедикта Викторовича Курилова (1867–1921), который познакомил его с концепциями химической термодинамики Гиббса и Вант-Гоффа. Существенно, что Курилов сам какое-то время работал в лаборатории Вант-Гоффа и воспоминания о непосредственном сотрудничестве с первым лауреатом Нобелевской премии по химии, несомненно, придавали его лекциям особую живость и убедительность. В особенности увлекли Ребиндера идеи Гиббса, но для их освоения ему тогда, по его собственному признанию, не хватало глубоких знаний в области высшей математики и физики. Поэтому вскоре он начал параллельно учиться на математическом отделении физико-математического факультета, а потом и полностью перешел на него.
Продолжалось это, впрочем, недолго. Революция, Гражданская война – не лучшее время для обучения в университете. Что тогда творилось на юге России, прекрасно описано в романе “Тихий Дон” Михаила Шолохова. Так что после захвата Ростова-на-Дону деникинскими войсками Ребиндер был вынужден вернуться в Кисловодск и продолжить уже привычное самостоятельное образование.
С другой стороны, революция породила невероятный душевный подъем и энтузиазм, который нам с высоты нашего прагматичного времени даже трудно представить и понять. В условиях разрухи и хаоса Петр Ребиндер с товарищами организуют “Общество изучения математики, физики и химии”, издают рукописный “Журнал экспериментальной физики и химии” и наполняют его описаниями экспериментов, проводимых ими в лаборатории, оборудованной в заброшенном доме на окраине Кисловодска. В этом же журнале появляются и первые теоретические статьи П.А. Ребиндера по химической термодинамике. В те годы проявилась еще одна отличительная черта будущего ученого – стремление доводить любую работу до практического результата или, с другой стороны, исходить из постановки научного исследования практических задач. Думается, молодые энтузиасты не случайно организовали в Кисловодске глицериномыльное производство и опытное промышленное производство аммиачной соды – не иначе как жизнь заставила.
В 1922 году Ребиндер – звезда на научном небосводе Терской губернии[6], его даже командируют в Московский университет для “продолжения научной работы”. Но сам он понимает, что ему надо еще учиться и учиться, поэтому просит зачислить его на четвертый курс математического отделения физико-математического факультета. И опять – не лучшее время для учебы. Полный развал промышленности, транспорта, энергоснабжения как следствие Гражданской войны, натуральный голод как следствие политики военного коммунизма, потеря значительной доли образованного населения (в том числе из-за эмиграции, добровольной или вынужденной) и инфляция, измеряемая десятками процентов (не в год, а в день). Какой же тягой к знаниям нужно было обладать, чтобы в этих условиях не просто учиться, но еще добывать средства к существованию. Характерная деталь: жил молодой студент в зоопарке, в комнате над помещением слона, которую он получил, устроившись на работу электромонтером.
Никогда не забуду, как к нам, студентам-первокурсникам химического факультета МГУ, зашел в общежитие на Ломоносовском проспекте академик Александр Наумович Фрумкин (1895–1976), выдающийся электрохимик и, кстати, большой друг Ребиндера. Случайно или нет, но разговор зашел о тех давних годах. О суровых реалиях жизни тогдашних студентов и молодых ученых Александр Наумович рассказывал с улыбкой и в то же время с какой-то грустью в глазах. Мы слушали, разинув рты от удивления, и постепенно проникались осознанием сносности, даже комфортности своего существования. Пусть жили мы по пять человек в комнате, зато в тепле и с горячим душем, что уж говорить о сорокарублевой стипендии, которой хватало на завтрак, обед или ужин, по выбору, и даже на маленькие субботние удовольствия, на поход с девушкой в кино или пиво с друзьями.
Но вернемся к Ребиндеру. Похоже, что все эти житейские неурядицы его нисколько не обескураживали, но еще сильнее мобилизовывали. Студент математического отделения стал посещать семинар по молекулярной физике профессора Б.Н. Ильина, а вскоре под его руководством начал собственные научные исследования по коллоидной химии. Тему он выбрал самую что ни на есть модную и актуальную – образование упорядоченных слоев поверхностно-активных веществ на поверхности воды. Ведь именно в те годы Ленгмюр публиковал результаты своих исследований в этой области, о которых мы уже рассказывали.
В предыдущей главе мы прикоснулись к сравнительно небольшому разделу коллоидной химии. И уж коли нас занесло на это поле, так давайте продолжим его сканирование. И вот что удивительно, куда бы мы ни пошли, везде нам будут попадаться следы, оставленные нашим соотечественником Петром Александровичем Ребиндером.
В 1969 году П.А. Ребиндер вместе с президентом Академии наук СССР М.В. Келдышем был приглашен на празднование 50-летия Шведской королевской академии инженерных наук. Там ему торжественно преподнесли книгу с генеалогическим древом рода Ребиндеров, ведущего отсчет с 1100 года. Имелась в этой книге и запись о рождении в 1898 году Петра Александровича, сына Александра Михайловича Ребиндера и Анны Петровны Ребиндер, урожденной Халютиной.
Прибалтийские немцы, Ребиндеры оставили заметный след в истории Швеции и России. Собственно, в Россию Ребиндеры попали вследствие военного столкновения двух держав в начале XVIII века: основоположник русской ветви рода, подполковник Генрих Ребиндер, один из десяти сыновей губернатора Финляндии барона Генриха фон Ребиндера, был взят в плен под Полтавой в 1709 году. Император Петр I уважительно относился к “своим учителям”, и пленному офицеру был предоставлен в России режим наибольшего благоприятствования. Энергичный и плодовитый род дал новой родине множество военных, вплоть до фельдмаршала, а также дипломатов и общественных деятелей.
П.А. Ребиндер чрезвычайно гордился своей родословной и никогда не отрекался от национальных и дворянских корней, что в условиях коммунистической власти было по меньшей мере безрассудно, а в определенные времена и самоубийственно. Полагаю, что осознание принадлежности к древнему и славному роду не только питало его самоуважение, но и побуждало постоянно двигаться вперед. Звание наследника такого рода ко многому обязывало, ему надо было соответствовать, и П.А. Ребиндер соответствовал.
Знаменитая фамилия была главным, если не единственным, капиталом семьи П.А. Ребиндера. Поместье было давно утеряно, отец Пьерика (так называли мальчика в семье) служил морским врачом, в 1905 году он скончался от туберкулеза после возвращения с Русско-японской войны. Жизнь в столице всегда дорога, и Анна Петровна Ребиндер, кстати, прямой потомок выдающегося русского скульптора И.П. Мартоса, была вынуждена пойти работать учительницей гимназии. Но тут на семью свалилась новая напасть – у мальчика обострилась бронхиальная астма, которой он страдал с раннего детства. В 1909 году по рекомендации врачей Анна Петровна с сыном покинули промозглый Петербург и отправились для лечения в Европу. Судя по всему, пенсии, получаемой за умершего главу семьи и недостаточной для жизни в русской столице, вполне для этого хватало.
Семья провела в Европе пять лет, вплоть до Первой мировой войны, сначала в швейцарской Лозанне, затем в Бретани (Франция) и, наконец, в Италии, в Генуе и Нерви. Там Ребиндер приобщился к европейской культуре, а также приобрел потрясавшую всех легкость в общении и, конечно, свободное владение французским, немецким и итальянским языками (английский он освоил позднее). Именно этот базис общей культуры вкупе с уникальными природными задатками и истинно немецкой организованностью позволил ему совершить феноменальный рывок в освоении естественных наук, предпринятый им в последующие годы.
Ведь, по сути дела, все образование шестнадцатилетнего подростка сводилось к домашнему обучению. Только в этом возрасте он поступил в гимназию. Случилось это в Кисловодске, который был выбран для проживания по медицинским соображениям. Предгорье, теплое лето, мягкая зима с сухой погодой и обилием солнца – та же Лозанна, только русского разлива. Восьмилетний курс гимназии юноша прошел за четыре года, по существу, экстерном, и поступил на химическое отделение Донского университета в Ростове-на-Дону. Университет обладал великолепным штатом преподавателей, переведенных сюда в начале войны из Варшавского университета, по праву считавшегося одним из лучших в Российской империи (мы посетим этот университет в десятой главе).
Так пересеклись жизненные пути студента Петра Ребиндера и профессора Венедикта Викторовича Курилова (1867–1921), который познакомил его с концепциями химической термодинамики Гиббса и Вант-Гоффа. Существенно, что Курилов сам какое-то время работал в лаборатории Вант-Гоффа и воспоминания о непосредственном сотрудничестве с первым лауреатом Нобелевской премии по химии, несомненно, придавали его лекциям особую живость и убедительность. В особенности увлекли Ребиндера идеи Гиббса, но для их освоения ему тогда, по его собственному признанию, не хватало глубоких знаний в области высшей математики и физики. Поэтому вскоре он начал параллельно учиться на математическом отделении физико-математического факультета, а потом и полностью перешел на него.
Продолжалось это, впрочем, недолго. Революция, Гражданская война – не лучшее время для обучения в университете. Что тогда творилось на юге России, прекрасно описано в романе “Тихий Дон” Михаила Шолохова. Так что после захвата Ростова-на-Дону деникинскими войсками Ребиндер был вынужден вернуться в Кисловодск и продолжить уже привычное самостоятельное образование.
С другой стороны, революция породила невероятный душевный подъем и энтузиазм, который нам с высоты нашего прагматичного времени даже трудно представить и понять. В условиях разрухи и хаоса Петр Ребиндер с товарищами организуют “Общество изучения математики, физики и химии”, издают рукописный “Журнал экспериментальной физики и химии” и наполняют его описаниями экспериментов, проводимых ими в лаборатории, оборудованной в заброшенном доме на окраине Кисловодска. В этом же журнале появляются и первые теоретические статьи П.А. Ребиндера по химической термодинамике. В те годы проявилась еще одна отличительная черта будущего ученого – стремление доводить любую работу до практического результата или, с другой стороны, исходить из постановки научного исследования практических задач. Думается, молодые энтузиасты не случайно организовали в Кисловодске глицериномыльное производство и опытное промышленное производство аммиачной соды – не иначе как жизнь заставила.
В 1922 году Ребиндер – звезда на научном небосводе Терской губернии[6], его даже командируют в Московский университет для “продолжения научной работы”. Но сам он понимает, что ему надо еще учиться и учиться, поэтому просит зачислить его на четвертый курс математического отделения физико-математического факультета. И опять – не лучшее время для учебы. Полный развал промышленности, транспорта, энергоснабжения как следствие Гражданской войны, натуральный голод как следствие политики военного коммунизма, потеря значительной доли образованного населения (в том числе из-за эмиграции, добровольной или вынужденной) и инфляция, измеряемая десятками процентов (не в год, а в день). Какой же тягой к знаниям нужно было обладать, чтобы в этих условиях не просто учиться, но еще добывать средства к существованию. Характерная деталь: жил молодой студент в зоопарке, в комнате над помещением слона, которую он получил, устроившись на работу электромонтером.
Никогда не забуду, как к нам, студентам-первокурсникам химического факультета МГУ, зашел в общежитие на Ломоносовском проспекте академик Александр Наумович Фрумкин (1895–1976), выдающийся электрохимик и, кстати, большой друг Ребиндера. Случайно или нет, но разговор зашел о тех давних годах. О суровых реалиях жизни тогдашних студентов и молодых ученых Александр Наумович рассказывал с улыбкой и в то же время с какой-то грустью в глазах. Мы слушали, разинув рты от удивления, и постепенно проникались осознанием сносности, даже комфортности своего существования. Пусть жили мы по пять человек в комнате, зато в тепле и с горячим душем, что уж говорить о сорокарублевой стипендии, которой хватало на завтрак, обед или ужин, по выбору, и даже на маленькие субботние удовольствия, на поход с девушкой в кино или пиво с друзьями.
Но вернемся к Ребиндеру. Похоже, что все эти житейские неурядицы его нисколько не обескураживали, но еще сильнее мобилизовывали. Студент математического отделения стал посещать семинар по молекулярной физике профессора Б.Н. Ильина, а вскоре под его руководством начал собственные научные исследования по коллоидной химии. Тему он выбрал самую что ни на есть модную и актуальную – образование упорядоченных слоев поверхностно-активных веществ на поверхности воды. Ведь именно в те годы Ленгмюр публиковал результаты своих исследований в этой области, о которых мы уже рассказывали.