Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий
Шрифт:
Кто только не выступал на коллоквиумах в институте – математики, физики, физико-химики, химики, биофизики, биохимики, физиологи. Это была великая школа для всех участников, и именно там следует искать истоки феноменальной эрудиции Ребиндера, потрясавшей всех, кому посчастливилось общаться с ним. Так, еще в ранние годы, сформировался ученый, который может служить образцом и для нашего времени, для эпохи нанотехнологий. Равняясь на него, попытаемся сформулировать основные качества современного ученого: высокая общая культура; свободное владение математическим аппаратом; широкая эрудиция, способность использовать в работе и для объяснения полученных результатов данных различных наук – физики, химии, биологии; “заточенность” на практический результат, умение видеть, как проводимые фундаментальные исследования могут быть претворены в
Но не будем забывать, что молодой ученый был еще и студентом, и проведенные им исследования – по сути, его дипломная работа. Некоторые выдержки из нее были опубликованы в ведущем немецком журнале по коллоидной химии – Kolloid Zeitschrift. Нисколько не умаляя значимости полученных результатов, замечу, что ничего экстраординарного в факте этой публикации нет, такова была обычная практика того времени – публиковаться в немецких журналах. И эти журналы охотно принимали статьи российских ученых, продолжавших проводить исследования мирового уровня, несмотря на всеобщую разруху. Да и языкового барьера в то время не существовало, немецкий был языком науки, большинство ученых знали немецкий с детства, как Ребиндер, и оттачивали его во время стажировок и других поездках за рубеж.
После окончания университета Ребиндер продолжил исследования поверхностно-активных веществ, ведя их одновременно в нескольких направлениях и поражая коллег неожиданными идеями.
Не углубляясь в детали, приведу один пример. Из предшествующего чтения и школьных воспоминаний у вас наверняка сложилось представление, что поверхностно-активные вещества – это непременно сложные органические молекулы с гидрофильными головками и гидрофобными хвостами, которые обволакивают частички грязи и масла в водном растворе или выстраиваются частоколом на поверхности воды “по Ленгмюру”. Ничего удивительного, ведь такого мнения придерживались (и придерживаются) даже многие специалисты. И как на этом фоне вы воспримите название доклада Ребиндера, начинающего ученого, на IV съезде Менделеевского общества в 1925 году: “Вода как поверхностно-активное вещество”? Чушь? Ересь?
А Ребиндер “всего лишь” расширил понятие поверхностно-активного вещества и включил в него все вещества, способные адсорбироваться на поверхности и изменять ее свойства. Как вода, адсорбирующаяся на поверхности расплавленной соли [9] . Согласно этим воззрениям, активность или неактивность вещества уже не была его абсолютным, навечно застолбленным за ним свойством, а зависела от природы поверхности раздела фаз.
Новый взгляд на проблему принес щедрые плоды, вскоре молодой ученый открыл явление адсорбционного понижения прочности твердых тел, носящее теперь его имя, – эффект Ребиндера. Этот эффект, имеющий принципиальное значение для интересующих нас нанотехнологий, мы рассмотрим подробнее чуть позже, пока же опишем другой эффект – от доклада Ребиндера о своем открытии.
9
Но как такое может быть?! Разве вода не должна мгновенно испаряться с горячей поверхности? В том-то и дело, что может. Ребиндер опроверг очевидность, и в этом состоит его величие. Адсорбция вообще дело страшное, с поверхности силикагеля воду откачивают при 250°С в глубоком вакууме в течение нескольких часов. Не испаряется она, хоть ты тресни.
Случилось это в августе 1928 года на VI съезде русских физиков, без преувеличения историческом. Он открылся в Москве и продолжился на пароходе, плывшем по маршруту Нижний Новгород – Казань – Саратов. На нем присутствовало множество иностранных гостей: Макс Борн (лауреат Нобелевской премии по физике 1954 г.), Леон Бриллюэн, Петер Дебай (лауреат Нобелевской премии по химии 1936 г. и иностранный член АН СССР с 1924 г.), Поль Дирак (лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г. и иностранный член АН СССР с 1931 г.), физик Чарльз Дарвин, внук великого деда, Гилберт Льюис (с 1942 г. – почетный член АН СССР) и другие. С нашей стороны выступали будущие нобелевские лауреаты С.И. Вавилов, Л.Д. Ландау и Н.Н. Семенов с сообщением о первых результатах изучения механизма цепных реакций, Л.И. Мандельштам рассказал об открытии эффекта комбинационного рассеяния света,
Его доклад вызвал “скептическое отношение”, что в воспоминаниях о заслуженных деятелях служит эвфемизмом провала и разгрома. Наибольшие возражения вызвал центральный тезис доклада о том, что механические свойства кристаллического тела могут быть существенно изменены за счет адсорбции на его поверхности специально подобранного вещества, поверхностно-активного по отношению к этому кристаллическому телу. На ум приходит прочная металлическая балка, которую для защиты от ржавления или из эстетических соображений покрывают тончайшим слоем краски, обладающей хорошим сцеплением с поверхностью, и после этого балка вдруг начинает деформироваться или ломаться при небольших механических нагрузках. Да как такое может быть?! Очевидно , что какой бы “краской” ни покрывать балку, о ее природе “осведомлены” лишь поверхностные атомы балки, в крайнем случае, несколько внешних атомарных слоев, но их количество пренебрежимо мало по сравнению с количеством атомов, находящихся внутри балки и несущих основную нагрузку. Элементарный расчет показывает, что даже для проволоки диаметром 1 мм доля поверхностных атомов составляет 1/10000000, что уж говорить о балке? О каком влиянии здесь вообще можно говорить? Были и другие общетеоретические возражения, а представленные экспериментальные доказательства воспринимались как артефакты.
Это была настоящая проверка на прочность. Многие ученые ломались при куда более поверхностных возражениях против их концепций, но Ребиндер показал, что у него твердая сердцевина и настоящий мужской характер. Он дал единственно правильный в такой ситуации ответ оппонентам – провел серию новых, еще более изощренных экспериментов и доказал свою правоту. Но самым убедительными свидетельствами в пользу эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел стали его многочисленные практические приложения в процессах измельчения различных веществ, бурения горных пород и металлообработки.
Ломать – не строить, скажете вы. Поспешу с вами согласиться, потому что это подводит нас к следующему этапу развития работ Ребиндера. Всем выдающимся ученым старой школы, к которым несомненно принадлежал и Ребиндер, было свойственно проникновение в суть явления, они зримо представляли себе процессы, протекающие в изучаемых ими системах, и это глубинное понимание вкупе с привлечением аналогий из смежных областей позволяло им находить неожиданные решения. Разобравшись с тем, как и почему разрушаются твердые тела, Ребиндер предложил путь создания сверхпрочных материалов. Прочность через разрушение – так кратко звучала новая концепция. Сущность этого парадоксального подхода мы рассмотрим чуть позже, пока же вспомним очень далекую аналогию, впрочем, весьма актуальную для описываемого времени: “Весь мир насилья мы разрушим до основанья, а затем мы наш, мы новый мир построим, кто был ничем, тот станет всем”. Именно так Ребиндер предлагал идти к получению сверхпрочных материалов, и в отличие от теории Маркса его стратегия доказала свою жизнеспособность.
Признание пришло быстро. В 1933 году Ребиндер был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, в 1934 году ему была присуждена научная степень доктора физико-математических наук, а в 1935-м – доктора химических наук. (Возможно, вы удивитесь такой последовательности событий, но дело в том, что большевики в запале разрушения отменили “буржуазные” научные степени и сам институт защиты диссертаций и восстановили этот традиционный и необходимый этап квалификации научных кадров лишь через пятнадцать лет.)
Не будем задерживаться на других научных работах Ребиндера, хотя все они имеют самое непосредственное отношение к нанотехнологиям. Он изучал золи – коллоидные растворы твердых частиц нанометрового размера – и образование из них ажурных объемных структур – гелей, он исследовал растворы полимеров и белков и все это в привязке к промышленности, с доведением фундаментальных исследований до практического результата. Достаточно сказать, что во многих со временных пищевых продуктах можно обнаружить “ребиндеровский” след – в мороженом, шоколаде, желе, маргарине и растворимом кофе. (Все они содержат нанообъекты или обладают наноструктурой, так что процесс их производства с полным правом может быть отнесен к нанотехнологиям.)