Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Эрлих Генрих Владимирович

Многие историки науки и биографы любят противопоставлять этих двух ученых, говоря, что Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) был гениальным мыслителем, описавшим электромагнитные явления точными математическими формулами, а Фарадей – “всего лишь” эмпириком, экспериментатором, пусть и лучшим в истории человечества. Современники зло шутили, что открытия Фарадея являются следствием его недостаточного образования, многие ученые заносчиво говорили о слабости математической подготовки Фарадея, которая ограничивалась начальными сведениями по тригонометрии и алгебре (что ж тут поделаешь, следствие тяжелого детства и юности!), да и мы, помнится, с улыбкой смотрели на “наивные” рисунки Фарадея с изображением силовых линий магнитного поля и восхищались изящной красотой уравнений Максвелла.

Но, как говорят художники, он так видел. И это видение помогало Фарадею проникать

в суть явления, мы же, всецело полагаясь на математические уравнения и формализованные компьютерные расчеты, практически утратили эту способность. Да и что считать математикой? Сам Максвелл, например, к “наивным” рисункам Фарадея относился уважительно и называл их математикой очень высокого уровня, которую оценят лишь в будущем.Благодаря особенностям своего мировосприятия Фарадей видел связь вещей и явлений. Он довершил дело, начатое Франклином, и окончательно доказал, что между различными “видами” электричества, статическим, искусственным, “животным” и т. д., нет никакой разницы. Он утвердил связь между электрическими и магнитными явлениями, между электрическими и химическими процессами, между магнетизмом и оптикой. Фарадей способствовал созданию целостной картины мира, а точнее говоря, он видел эту картину во всем ее единстве и величии и смог донести это видение до нас. Что же касается вклада Фарадея в теорию, то об этом лучше всего сказал не кто иной, как Альберт Эйнштейн: “Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”. В работах Фарадея впервые возникло понятие поля , именно эту идею Эйнштейн считал самой оригинальной у Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона.Самое поразительное, что все эти эксперименты и открытия Фарадей делал в одиночку. В лаборатории ему помогал отставной солдат, человек рукастый и исполнительный, но совершенно чуждый науке. Учеников же и ассистентов у него не было. Возможно, Фарадей руководствовался тем, что от учеников одни проблемы, он сам был учеником и хорошо знал, чем все заканчивается. Но 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. Наверно, все дело в том, что он был гением, у гениев голова по-другому устроена.

Многолетние напряженные занятия наукой и общественной деятельностью привели к тому, что Фарадей просто-напросто надорвался, уже в пятидесятилетнем возрасте у него начались нелады с памятью. “Шесть недель работы для того, чтобы получить эти результаты, – записал он как-то в дневнике. – Самое скверное то, что, просматривая свои старые заметки, я обнаружил, что все эти результаты были уже получены мною восемь месяцев назад. Я совершенно о них забыл”.

12 марта 1862 года Фарадей сделал свой последний эксперимент. Все они были тщательно запротоколированы и пронумерованы. Последний имел номер 16041 – фантастическая производительность! Напоследок он переплел свои лабораторные журналы – пальцы помнили дело.

Он прожил еще пять лет. Они с женой не нажили ни детей, ни состояния. Поднявшись из низов в члены Королевского общества, Фарадей стал джентльменом, а, согласно тогдашним воззрениям, джентльмену не пристало получать деньги за занятия наукой. Даже если исследования проводились по заказу – “по просьбе” – промышленников. Подарки допускались – на усмотрение просителя. Но даже от многих таких работ Фарадей отказывался, предпочитая возиться с не сулящими никакой практической выгоды проволочками и магнитами. Ему еще повезло, что принц Альберт, муж королевы Виктории, восхищенный лекциями Фарадея, подарил ему дом в королевском поместье близ Лондона. Никаких других средств существования у четы Фарадеев не было. Как неоднократно говорил сам Фарадей: “Из праха вышел и в прах возвратишься, – и неизменно добавлял: – Бытие, 3: 19”.

Однако какое все это имеет отношение к нанотехнологиям? Можно было бы просто сказать, что Фарадей заложил основы современной физики и химии, открыл электрические, магнитные и оптические явления, без которых немыслимы нанотехнологии во всех своих многочисленных приложениях. Но я хочу сузить ответ и сосредоточиться лишь на одном эксперименте Фарадея, выполненном в 1847 году 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.

При желании историю нанотехнологий можно проследить в глубь веков, где они существовали в виде ремесла. Заслугой Фарадея было то, что он впервые посмотрел на это с точки зрения науки.

Я специально не использовал термины “золи золота” и “коллоидный раствор”, ведь они появились уже после экспериментов Фарадея. В свою очередь эти работы в значительной мере инициировали развитие коллоидной химии. Именно с золей золота начал через сорок лет после Фарадея свои исследования австрийский ученый Рихард Адольф Зигмонди (1865–1929), получивший за них в 1925 году Нобелевскую премию по химии. Зигмонди определил размер частиц золота, на учился получать золи с узким распределением частиц по размерам, самых разнообразных цветов – красного, зеленого, синего, фиолетового, коричневого, даже черного и установил, что частицы размером до 10 нанометров имеют красный цвет, а по мере увеличения размера частиц до 80 нанометров цвет постепенно сдвигается в синюю область. Были изучены также различные способы стабилизации золей золота.

В начале 1970-х годов наночастицы золота начали использовать в биохимии и медицинской диагностике. Дело в том, что некоторые аминокислоты, формирующие белок, содержат в своем составе серу, а сера обладает большим сродством к золоту. Таким образом, белок легко и прочно соединяется с золотой наночастицей. Это был один из первых примеров конструирования на наноуровне – целенаправленной сборки сложного объекта из наноразмерных блоков разной природы. Размер используемых при этом частиц золота был меньше размера белков, то есть прикрепляемая металлическая гирька выступала в качестве метки белка.

Здесь оказалось чрезвычайно полезным еще одно свойство золота. Экспериментальная техника того времени, и в первую очередь электронные микроскопы, не позволяла разглядеть сам белок, но прекрасно видела металлические частицы, причем чем тяжелее атомы металла, тем лучше разрешение. Тяжелое золото идеально подходило для целей визуализации белков, а точнее говоря, поведения белков, их перемещения в организме, концентрирования в каких-то частях клетки, связывания с другими биологическими объектами.