“распила” огромных бюджетных средств. Не понимаем мы, что такое нанотехнологии и зачем они нужны, честно и задушевно говорят мне коллеги, а мы как работали, так и будем работать, по старинке, разрабатывая высокоэффективные сорбенты нового поколения. (Говорят они, конечно, немного по-другому, это я просто перевожу их высказывания на приличный, старорежимный язык.)
Дорогие коллеги, отвечаю я им, нанотехнологии – это очень просто, это то, чем вы занимались всю свою профессиональную жизнь. И прогресс нанотехнологий будет связан, в частности, с распространением опыта, накопленного вами в области синтеза и изучения свойств сорбентов, на другие отрасли науки.
Глава 3 Мисс Марпл коллоидной химии
Она была домохозяйкой. Звали ее Агнесс Луиза Вильгельмина Покелс. Родилась она в 1862 году в Венеции, которая входила в то время в состав Австрийской империи. Отец Агнесс был офицером австрийской армии. В 1871 году Покелсы перебрались в Нижнюю Саксонию, в Брауншвейг, где Агнесс и прожила всю свою долгую жизнь.
Она росла странным ребенком, ее не интересовали куклы и игра в дочки-матери, переходящая в игру жених-невеста, она испытывала противоестественное, по мнению окружающих, влечение к естественным наукам, заниматься которыми девушкам было непристойно и невозможно в силу особенностей их мышления. Ведь недаром женщин не принимали в немецкие университеты! Агнесс оставалось только с завистью смотреть на своего младшего брата Фридриха, который поступил в знаменитый Гёттингенский университет, а затем стал профессором теоретической физики в Гейдельберге и обессмертил фамилию Покелс в названии открытого им физического эффекта.
Но это было много позже. Пока же Агнесс читала учебники по физике своего брата-студента и занималась домашним хозяйством, проводя большую часть времени на кухне. Она мыла посуду и размышляла о поверхностном натяжении воды, о том, что вода, которая плещется в тазике, делает это с каждой минутой по-разному, что, очевидно, связано, с одной стороны, с поверхностным натяжением воды, а с другой – с жиром, которой смывается с тарелок.
Это явление настолько ее заинтересовало, что Агнесс решила заняться изучением влияния различных веществ на поверхностное натяжение воды. И в первую очередь, конечно, мыла, без которого не обходилась ни одна хозяйка, желавшая до блеска отмыть жирную посуду. Для исследований Агнесс сконструировала незамысловатое устройство; его ключевым элементом была пуговица, которую она клала плашмя на поверхность воды, а потом измеряла силу ее отрыва от поверхности. Так кухня стала научной лабораторией Агнесс.
Упорство, настойчивость, аккуратность – эти свойства выгодно отличают женщин от мужчин, и Агнесс Покелс обладала ими в полной мере. А еще немецкая методичность! Все это позволило ей получить огромный массив данных, проливающих свет на практически неизученную в то время область поверхностных явлений. Она не побоялась представить их на суд лорда Рэлея. Рэлей оказался человеком широким и непредвзятым, он не только прочитал письмо молодой женщины, но, оценив важность полученных данных, настоял на их публикации в престижнейшем журнале “Nature” (естественно, пришлось нажать на редакцию журнала). Статья Агнесс Покелс вышла в 1891 году со скромным названием: “Поверхностное натяжение”.
Будет большим преувеличением сказать, что статья произвела эффект разорвавшейся бомбы. Ее прочитали и отложили в сторону. Как это часто бывает, научное сообщество долго переваривало новую информацию, интенсивные исследования в этой области начались лишь четверть века спустя, в основном благодаря усилиям Ирвинга Ленгмюра (1881–1957).
Немного изменила эта статья и в жизни самой Агнесс Покелс. Она постепенно оставила занятия наукой. Через сорок лет пришло запоздалое признание. В 1931 году она получила награду Коллоидного общества, а в следующем году Технический университет Брауншвейга пожаловал ей звание почетного доктора философии. По странному совпадению, в том же году Ленгмюр получил Нобелевскую премию по химии “за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений”. Агнесс так и осталась домохозяйкой, не вышла замуж и всю жизнь прожила одна. Скончалась она в 1935 году – мисс Марпл коллоидной химии.
Что же все-таки сделала Покелс? Она впервые изучила то, что лежало на поверхности буквально и метафорически.
В истории человечества довольно много примеров того, как люди десятилетиями и даже столетиями используют какое-нибудь умение, не понимая сути лежащего в его основе явления, – технологии часто опережают науку. В этом нет ничего удивительного, ведь для подавляющего большинства людей практический результат превалирует над пониманием – для того чтобы пользоваться электронными приборами, вовсе не обязательно знать, как в них течет электрический ток. Ученые – люди любознательные, но и им зачастую не удается докопаться до истины в силу объективных причин, например отсутствия необходимых инструментов исследования. Кроме того, ученые тоже люди, и над ними также часто довлеет практический результат, оптимизировать технологию можно и без понимания сути явления, которая остается, по выражению ученых, “черным ящиком”. И наконец, ученые всегда стремятся к открытию новых явлений, это намного интереснее и престижнее объяснения давно известного, старого.
Вот так и получилось, что люди узнали о существовании мыла тысячи лет назад, научились его варить сотни лет назад, не имея ни малейшего понятия, что оно собой представляет и почему, собственно, смывает грязь. Первый вопрос прояснил в 1808 году французский химик Мишель Эжен Шеврёль (1786–1889 {2} ), среди прочего – иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Он был пионером в исследовании химического строения растительных и животных жиров, ему, в частности, принадлежит патент на изготовление хорошо нам известных стеариновых свеч, он его получил вместе с Жозефом Гей-Люссаком.
Неудивительно, что именно к Шеврёлю обратились владельцы некой текстильной фабрики с просьбой установить состав мыла, ведь его получали из животного жира обработкой содой. Ну и Шеврёль установил, что мыло – это натриевая соль длинной органической кислоты. Такие кислоты с тех пор так и называются – жирными. Внешне молекула мыла похожа на гусеницу: небольшая, хорошо смачивающаяся водой “головка” и длинный гидрофобный (плохо смачивающийся водой) “хвост”. Впрочем, такие детали химики начала XIX века не могли даже вообразить, так что они удовлетворились установлением состава мыла и забыли о нем на многие десятилетия.
Заслуга Агнесс Покелс заключается в том, что она привлекла внимание ученых к этим, с одной стороны, хорошо известным, а с другой – абсолютно неизученным веществам. Она обнаружила, что мыло уменьшает поверхностное натяжение воды, что его молекулы каким-то образом “выносятся” на поверхность воды и изменяют ее свойства. Эти вещества были названы поверхностно-активными. Сейчас сокращение ПАВ известно всем и не нуждается в расшифровке [5] .
Обнаруженный эффект гораздо проще объяснить с высоты нашего современного знания. Молекулам мыла, в целом плохо смачивающимся водой, некомфортно в толще воды, намного выгоднее им находиться на поверхности, опустив головку в воду и выставив хвост наружу. Опять полная аналогия с гусеницей, вгрызающейся в яблоко. Хвост может свободно изгибаться, но когда молекул на поверхности станет очень много, они покроют ее плотным слоем с частоколом вытянутых в струнку хвостов. Если смотреть снаружи на поверхность мыльной воды, то это будет уже и не вода, а нечто очень похожее на… масло.
Масло и вода – опыты Бенджамина Франклина. Он получал слои масла толщиной в несколько нанометров, двигаясь к ним, как сейчас принято говорить, сверху вниз, растягивая каплю жидкости сантиметрового диаметра в тонкую пленку площадью в сто квадратных метров. Покелс пришла к похожим слоям, двигаясь снизу вверх, от изолированных молекул, свободно плавающих в водном растворе, к их ассоциату бесконечной протяженности, состоящему из плотно прилегающих и определенным образом ориентированных молекул. Конечно, все это еще предстояло доказать, но направление движения Покелс задала.
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
Последующие исследователи подтвердили правильность его предположения. Оказалось, что размер мицелл наиболее распространенных ПАВ составляет несколько
