Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий
Шрифт:
И вот мы подошли к описанию эксперимента, ради которого, собственно, и была задумана вся эта глава. Дело было так. В 1757 году Франклин отправился послом от колоний в Англию. Тогда в Северной Америке шла война между Англией и Францией, и, как положено в военное время, торговые суда шли караваном с конвоем военных кораблей – так набралась внушительная флотилия из 96 судов. И вот однажды, стоя на палубе в ветреную погоду, Франклин обратил внимание на странный факт: все суда мерно покачивались на волнах, но два стояли ровно, и вокруг них поблескивало зеркало идеально ровной воды. “Как такое может быть?” – спросил Франклин у капитана, привлекая его внимание к непонятному явлению. “Да коки, наверно, выплеснули за борт жирную воду”, – невозмутимо сказал капитан как о чем-то всем хорошо знакомом. Тут в памяти Франклина всплыли строки из прочитанной в юности “Естественной истории” Плиния: действительно, еще древнегреческие и римские мореходы усмиряли волны, выливая масло на поверхность воды. Другой бы на этом
Во-первых, он скрупулезно собирал различные свидетельства об этом явлении. Оказалось, что оно хорошо известно морякам всего мира и даже простые рыбаки на Бермудах успокаивают таким образом рябь на воде, чтобы лучше видеть рыбу в глубине. Во-вторых, он постоянно носил с собой бутылочку с маслом и, очутившись у какого-нибудь водоема в ветреную погоду, ставил натурные эксперименты, пытаясь разобраться в сути явления и заодно поразить своих спутников. Эксперимент действительно поразительный, и я рекомендую вам сделать его своими руками для начала в тазу или в ванной. Взбаламучивая воду, капните подсолнечного масла (обязательно свежего!) из пипетки и посмотрите, что получится. Уверяю, что после этого вас, как и Франклина, потянет на природу, к какому-нибудь пруду, чтобы воспроизвести эксперимент в большем масштабе. Получится, не сомневайтесь. Если подойдете к пруду с наветренной стороны, там, где зарождаются волны. Это, кстати, тоже выявил Франклин в ходе своих опытов.
Помимо успокоения волн удивляет еще скорость распространения масляного пятна по воде и его площадь. В статье, опубликованной в журнале Philosophical Transactions в 1774 году, Франклин писал, что ему удалось посредством чайной ложки масла успокоить волнение в пруду на площади в полакра – по-нашему двадцать соток. Естественно, возникает вопрос: а какова же толщина слоя масла, образующегося на поверхности воды? Тут нет нужды апеллировать к Франклину, который был несилен в арифметике за исключением бухгалтерских расчетов. Вы можете это сделать сами, потому что я поклялся себе написать книгу без единой формулы. Итак, мы берем один кубический сантиметр масла, приблизительно половину чайной ложки, и распределяем масло равномерным слоем на поверхности в сто квадратных метров. Вы считаете быстрее меня, и абсолютно правильно: толщина слоя составляет в этом случае десять нанометров . Слои масла на воде – вероятно, первый объект нанометровых размеров, который стал предметом изучения ученых.
Символично, что нано объекты вступили в мир науки в связке с технологиями . Такой уж человек был Бенджамин Франклин, что все свои научные изыскания он старался довести до практического результата, более того, выполнял их именно с ориентацией на практику. Исследования масляных слоев на поверхности воды начались на море и окончились там же. Франклин пытался разработать безопасный способ швартовки судов и особенно высадки на побережье в условиях сильного волнения на море. Сложность и актуальность последней задачи понимает любой, кто хоть раз купался в море при поднятом над пляжем красном флаге. Испытания проводились в Портсмуте в октябре 1773 года при деятельном участии голландского капитана Джона Бентинка. По заключению самого Франклина, желаемого эффекта, то есть комфортной высадки, достичь не удалось, тем не менее полоски спокойной воды наблюдались даже при сильном ветре. Только после этих экспериментов Франклин опубликовал полученные им результаты в вышеупомянутой статье. Исследование заняло 17 лет.
Со слоями масла на воде связан еще один интересный эффект, который наблюдал Франклин, да и мы, но применительно к несколько другим объектам – пленкам бензина на воде и мыльным пузырям. Это цветная, зачастую переливчатая окраска этих объектов, притом что все задействованные вещества бесцветны. Современные школьники на уроках физики бойко объясняют этот эффект: “Распространение света – волновой процесс. Свет, падая на пленку, частично отражается от внешней поверхности, а частично проходит внутрь и отражается от второй поверхности. Волны, отраженные от двух поверхностей пленки, складываются по законам интерференции, волны с одной длиной волны усиливаются, а с другой – ослабляются вплоть до исчезновения. Так появляется цвет”.
Попробовали бы они сказать нечто подобное в середине XVIII века! За одну первую фразу их бы выгнали с волчьим билетом не то что из школы, но из любого университета. В науке тогда царила корпускулярная теория света Ньютона, согласно которой свет представляет собой поток материальных частиц, а волновая теория, созданная Гюйгенсом в конце XVII века, пребывала в загоне. Из крупных ученых того времени ее поддерживали разве что Леонард Эйлер и Бенджамин Франклин. Это тем более удивительно, что теория электричества Франклина может быть с полным основанием названа корпускулярной, а вот в оптике он придерживался диаметрально противоположной концепции. Тут можно говорить о его гениальной научной интуиции, но, возможно, сыграло свою роль и наблюдение за пленками масла на воде, ведь именно объяснение явления интерференции не давалось теории Ньютона, но с ним прекрасно справлялась волновая теория.Так в научном наследии Бенджамина Франклина впервые сошлись поверхность и тонкие слои, электричество и оптические явления – краеугольные камни нанотехнологий. И потому его номер – первый.Вернемся к толщине слоя масла. Мы с вами прикинули, что она может составлять десять нанометров. Это много или мало? И можно ли утончить пленку, а если да, то до какого предела? Вы, конечно, знаете ответ на последний вопрос: сплошная пленка никак не может иметь толщину меньше, чем размер молекулы масла. И обратно: зная толщину предельно тонкого слоя масла [3] , можно определить размер молекулы. Неужели Франклин не сделал этот тривиальный эксперимент и не произвел элементарный расчет? Нет, не сделал. Нельзя требовать от одного, пусть и гениального, человека всего, тем более невозможного. Волновая теория во времена Франклина хотя бы была, а вот атомно-молекулярного учения не было. Было слово “молекула”, его ввел в 1636 году французский священник Пьер Гассенди, но оно не имело конкретного физического содержания. Поэтому со временник Франклина Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) рассуждал, как мы помним со школы, не о молекулах, а о корпускулах, но эти идеи не оказали никакого влияния ни на Франклина, ни на других ученых. И даже отец современной атомистики Джон Дальтон (1766–1844) обходился без этого понятия и говорил о “сложных атомах”.
3
Напомню, что нет никакой нужды измерять толщину этой пленки. Достаточно знать объем разлитого масла и площадь пятна.
Так что определить размер молекулы из толщины слоя масла Франклин не мог в принципе. И лишь через сто лет после его кончины, повторив его эксперименты, это сделал Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей (1842–1919). Он получил величину около двух нанометров – таков размер довольно крупных молекул масла.
Казалось бы, после этого нанообъекты должны были получить постоянную прописку в мире науки. Не тут-то было! Это в школьном учебнике все просто: атомно-молекулярное учение, основы которого заложили М.В. Ломоносов и Антуан Лавуазье (1743–1794), утвердилось благодаря работам Джона Дальтона (1766–1844) и Амадео Авогадро (1776–1856), окончательную точку поставил в 1860 году Международный конгресс в Карлсруэ, который был посвящен в основном вопросам терминологии, потому что существо дела ни у кого уже не вызывало сомнений. На самом деле вызывало, и у очень многих, считавших атомы и молекулы всего лишь гипотезой, пусть довольно хорошо обоснованной и внешне убедительной, по той простой причине, что никто никогда их не видел.
Помимо сомневающихся были и ярые противники. Например, Марселен Бертло (1827–1907), выдающийся ученый, выполнивший пионерские работы во многих областях химии, профессор Коллеж де Франс, непременный секретарь Французской академии наук и член-корреспондент Петербургской, министр народного просвещения и изящных искусств, а впоследствии министр иностранных дел Франции и прочая и прочая, считал само представление о молекуле бредовой идеей и называл ее не иначе как “мистической концепцией”. Смирился он с ней лишь в конце жизни. Как и другой, возможно, еще более великий ученый – Вильгельм Оствальд (1853–1932), один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии (1909) “в признание работ по катализу, а также за исследования основных принципов управления химическим равновесием и скоростями реакций”.
Оствальд – чрезвычайно примечательная личность. Широтой интересов и продуктивностью в самых разных областях человеческой деятельности он напоминал Франклина. Помимо собственно химии, он оставил заметный след в живописи, теории музыки, лингвистике, участвовал в самых разных общественных движениях, от пацифистских до шовинистических, написал 77 книг и воспитал целую плеяду известных ученых.
А еще он был философом, последним великим натурфилософом, создателем “энергетической” теории, согласно которой энергия – единственная реальность в этом мире, а материя есть лишь форма проявления энергии, “то, что мы называем материей, является лишь совокупностью энергий, собранной воедино в данном месте”. В этой теории не было места атомам и молекулам.
В фундаментальном учебнике Оствальда “Основы неорганической химии” слово атом не упоминается ни разу. Вы можете себе такое представить? Вот и я не могу. Высший пилотаж! Причем это не был “альтернативный” учебник, которыми так богато наше время, а канонический труд, выдержавший множество переизданий, на нем выросло целое поколение химиков.
“Мы должны совершенно отказаться от надежды наглядно представить себе физический мир посредством сведения всевозможных явлений к механике атомов”, – писал Оствальд. Лозунг Оствальда “Не сотвори себе кумира в виде образа!” был практически реализован создателями квантовой механики, которые отказались от какой-либо наглядности в физике и свели все к абстрактным математическим построениям. Они, конечно, не отрицали существования атомов, но споры о том, можно ли увидеть эти атомы и тем более манипулировать ими, не стихали несколько десятилетий. Споры эти разрешились уже на нашей памяти, когда физикам удалось осуществить и то и другое. Это произвело на ученых столь сильное впечатление, что затмило прошлые достижения всех смежных наук и позволило им говорить о наступлении новой эпохи в развитии науки – эпохи нанотехнологий.