Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий
Шрифт:
Впрочем, в наше время мы знаем обратную сторону этого изобретения и каждую зиму поминаем его недобрыми словами. Ведь именно хлоридом кальция посыпают городские улицы, чтобы растопить снег и лед, в результате даже в трескучий мороз мы хлюпаем по лужам.
Чуть меньше повезло Ловицу с открытием новых химических элементов. То есть открыть-то он их открыл, стронций – в 1792 году в тяжелых шпатах, а хром – в 1798 году в минерале крокоит, который тогда называли “сибирским красным свинцом”. Но приоритет достался другим. Считается, что стронций открыли шотландцы Уильям Крюйкшенк и Адер Кроуфорд в 1787-м, а хром – француз Луи Никола Воклен в 1797-м, что интересно, в том же самом крокоите. Подвела Ловица медленность распространения научной информации –
Мы прошли только верхнюю часть перечня научных свершений Ловица, но и этого более чем достаточно для одного человека. Тем более что прожил он недолго даже по меркам того времени – 47 лет. Ловиц с детства не отличался крепким здоровьем, а тут еще многочисленные личные несчастья, вредная химия и привычка ученых того времени лично оценивать органолептические свойства получаемых ими веществ – цвета, запаха, вкуса. Даже не столько привычка, сколько непременное требование. Это стоило жизни одному из величайших химиков всех времен Карлу Шееле, тоже, кстати, аптекарю. Он умер в своей лаборатории, по одной из версий, понюхав синильную кислоту.
Ловицу в этом отношении повезло чуть больше, но и его лабораторные журналы содержат такие заметки: “маленькое зернышко прокаленной стронциановой земли величиной с булавочную головку причиняет при прикосновении к языку сильную, продолжающуюся несколько дней жгучую боль” или “кроме длящейся почти восемь дней мучительной боли в горле, случилось также, что, когда по моей неосторожности газ вышел из сосуда, я внезапно потерял сознание и упал на землю” (роль газа исполнял хлор). Но наибольшие неприятности принесло Ловицу обычное стекло – оно выпало из дверцы шкафчика с минералами и перерезало сосуды и сухожилия левой руки. В результате рука высохла и перестала действовать. И хотя превосходный механик П.Д. Кесарев, работавший с И.П. Кулибиным, изготовил Ловицу протез, на сложных химических экспериментах был поставлен крест.
“Самому себе – мало, всем нам – много”. Эти слова, высеченные на латыни на надгробном камне Ловица, удивительно точно отражают не только жизнь ученого, но и посмертную память о нем. Его открытия жили и расцветали, а память о нем самом постепенно истлевала. Это, к сожалению, довольно распространенное явление, в истории науки множество примеров того, как вклад одних ученых был непомерно раздут, а их современники, куда более заслуженные, были попросту вычеркнуты из поминальника.
Слава ученого определяется не столько его научными достижениями, сколько привходящими обстоятельствами. Во-первых, активной саморекламой, которая задвигает на задний план более скромных коллег, особенно успешно эта операция проходит, если удастся пережить соавторов. Во-вторых, националистическими и идеологическими соображениями. Помнится, мы иронизировали над потугами советских учебников найти русский след во всех научных открытиях, но это свойственно всем странам, всем народам, во все времена. Зайдите в Музей науки в Эдинбурге, и вы узнаете, что все на свете на самом деле изобрели шотландцы. В-третьих, посмертная слава ученого в очень большой степени зависит от биографа.
Ловицу и тут не повезло, в который раз и даже дважды. Он был немцем, и ему достался никудышный биограф. А.И. Шерер сам метил в академики, он опубликовал лишь одну статью о Ловице и не сделал прославление своего “клиента” делом жизни. Следующего биографа пришлось ждать 150 лет, срок слишком долгий для человеческой памяти.Лишь в 1955 году известный химик и историк науки Николай Александрович Фигуровский (1901–1986) добился публикации избранных трудов Ловица по химии и химической технологии и написал о нем несколько статей. Именно из его блестящих работ по истории химии мы узнали о выдающемся российском ученом Ловице.Но вернемся к главному открытию Ловица – явлению адсорбции.
В широком смысле адсорбция – концентрирование вещества на границе раздела фаз, и с этой точки зрения образование мыльной пленки на поверхности воды тоже, несомненно, адсорбция. Но об этом мы поговорим в следующих главах, здесь же сосредоточимся на более узком понимании адсорбции как поглощении различных веществ твердыми телами или, точнее, поверхностью твердых тел.
“Поверхность” – ключевое слово как для адсорбции, так и в целом для нанотехнологий. “Поверхность создана дьяволом!” – воскликнул раздраженно Вольфганг Паули. Согласимся с мнением выдающегося ученого и добавим: создана на горе физикам-теоретикам и на благо людям.
Дело в том, что объемные свойства твердых тел могут быть с высокой степенью точности рассчитаны, исходя из “первых принципов”, из свойств составляющих тело частиц. Внутри кристалла, например, каждый атом (ион) плотно окружен со всех сторон другими атомами (ионами), и эта структура с потрясающей регулярностью воспроизводится во всем объеме кристалла. На поверхности ситуация меняется, поверхностный атом с одной стороны окружен своими товарищами, а с другой – открыт окружающему миру. Он обладает большей, по сравнению с внутренними атомами, энергией и притягивает к себе разнообразные вещества из окружающей среды – адсорбирует их. В принципе и эта задача, как говорят теоретики, счетная, но только в случае идеальной, плоской поверхности. В реальности же мы имеем на поверхности трещинки, выступы и другие дефекты, кроме того, даже у идеального кристалла есть не только грани, но и ребра, и вершины, сидящие там атомы находятся в разном окружении. Тут сам черт голову сломит.
Но это еще полбеды. Поверхность любого твердого тела не только обладает избыточной энергией по сравнению с его внутренностью, она еще отличается от нее по химическому составу. Возьмем, например, монокристалл кремния, из которого делают любимые нами чипы, и расколем его пополам. При этом мы разорвем химические связи между атомами кремния, а природа, как известно, очень не любит разорванные связи. Если мы не предпримем специальные меры предосторожности и не удалим из окружающей среды кислород и воду, то “ненасыщенные” атомы кремния, находящиеся на поверхности разлома, немедленно вступят с ними во взаимодействие. Это будет даже не адсорбция, а настоящая химическая реакция. Что будет представлять собой при этом поверхность? Все зависит от того, с какой стороны на нее посмотреть. С одной – вроде бы кремний, с другой – диоксид кремния, с третьей – кремниевая кислота, а на самом деле ни то, ни другое, ни третье, но в любом случае нечто отличное от объема кристалла. Ученые с этим разбирались десятилетиями, но – разобрались.
Для нас сейчас важнее всего то, что какой бы ни была химическая структура поверхности, она все равно останется поверхностью, границей раздела фаз “твердое тело – газ” или “твердое тело – жидкость”, и будет исправно адсорбировать различные вещества. Более того, изменчивость свойств поверхности мы можем обратить себе на пользу. Исходя из одного и того же твердого тела и направленно изменяя свойства его поверхности, мы можем получать разные сорбенты, необходимые нам для решения конкретных практических задач.
Понятно, что чем больше поверхность твердого тела, тем большее количество вещества оно может поглотить. Также понятно, что для практических приложений важна не столько общая поверхность, сколько ее удельная величина, отнесенная к единице веса или объема сорбента. Как можно увеличить удельную поверхность твердого тела? Представим себе сплошной кубик с ребром 1 см. Легко подсчитать, что его поверхность составит 6 см2. А теперь возьмем дрель со сверлом диаметром несколько нанометров и начнем просверливать в кубике сквозные отверстия – поры, создавая при каждом проходе новую поверхность. В итоге мы получим все тот же кубик, но с суммарной поверхностью в сотни квадратных метров. Это именно та величина, которая нужна для практического применения.