Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

степям, потом стали сбиваться в семьи, роды, племена, чтобы в итоге превратиться в народ, нацию. Молекулы ПАВ ведут себя по-другому, при достижении некоторой критической концентрации в растворе они собираются в мицеллу без всяких промежуточных альянсов, раз – и готово! Кроме того, размер мицеллы остается практически постоянным при дальнейшем росте концентрации ПАВ, увеличивается при этом не число молекул ПАВ в мицелле, а число мицелл в растворе. То есть молекулы сразу находят оптимальный размер их сообщества, обеспечивающий им стабильное и комфортное существование, то, к чему мы, люди, приходим мучительным путем проб и ошибок.

Одно из важнейших свойств мицелл – способность поглощать молекулы гидрофобных веществ. Понятно, что “рабочим телом” здесь служит ядро мицеллы, сам процесс, по сути, аналогичен экстракции гидрофобных соединений из воды органическим растворителем типа бензина, а мицеллы служат экстракторами нанометровых размеров, или нанореакторами . Внешне же все выглядит как растворение в присутствии мицелл нерастворимых в воде соединений, поэтому оно получило название “солюбилизация”. Именно на этом эффекте основано действие мыла и других моющих средств.

Но вернемся к слоям ПАВ на поверхности воды. Как уже было сказано, Агнесс Покелс выступила в качестве забойщицы этой области коллоидной химии, основные же исследования развернулись четверть века спустя. Вероятно, вы ждете рассказа об Ирвинге Ленгмюре, и, действительно, он вполне заслуживает звания одного из главных апостолов нанотехнологий. Но, с другой стороны, мужчин-ученых в нашей книге и так подавляющее большинство, что ни в коей мере не соответствует как доле женщин в науке, так и их реальному вкладу в научные открытия. Так что расскажу-ка я лучше об одной сотруднице Ленгмюра, которая во многих отношениях была первой.

Кэтрин Блоджетт родилась в Скенектади, штат Нью-Йорк, 10 января 1898 года. За несколько недель до ее рождения в семье произошла трагедия: вооруженный грабитель, проникший в их дом, застрелил отца Кэти, начальника патентного отдела компании “Дженерал электрик”. Компания объявила награду в пять тысяч долларов за поимку убийцы, но потери было не вернуть. Впрочем, семья была достаточно обеспечена финансово, что позволило молодой вдове с сыном Джорджем и маленькой Кэти перебраться сначала в Нью-Йорк, а в 1901 году – во Францию, где они прожили одиннадцать лет.

После возвращения в США Кэти поступила в частную женскую школу в Нью-Йорке, а затем в женский Колледж свободных искусств в Брин-Маре, штат Пенсильвания. Не стоит пренебрежительно относиться к словам “женский” и “свободные искусства”. В то время в США, как и в большинстве других развитых стран, господствовала система раздельного обучения, что было, несомненно, шагом вперед по сравнению с исключительно мужским образованием. А “свободные искусства” включали математику и физику. По уровню их преподавания женские колледжи группы “Семь сестер”, в которую входил и Колледж Брин-Мар, не сильно уступали мужской Лиге плюща.

Незадолго до окончания колледжа произошло знаменательное событие. В рождественские каникулы группу школьниц направили на экскурсию в Скенектади, в исследовательскую лабораторию компании “Дженерал электрик”. Там еще работали люди, помнившие старину Блоджетта, так что Кэти встретили как родную. Ее представили новой “звезде” компании, довольно молодому, тридцатипятилетнему мужчине, докторанту Гёттингена, блестящему ученому и просто красавцу Ирвингу Ленгмюру. Судьба Кэти была решена: она будет работать вместе с ним и будет заниматься… тем, чем занимается он. “Сначала выучись”, – сказал Ленгмюр, отложив решение проблемы на потом. Девушка произвела на него сильное впечатление – своей любознательностью и энтузиазмом, проблема же заключалась в том, что в исследовательский центр “Дженерал электрик” не принимали женщин.

В 1917 году Блоджетт поступила в Чикагский университет. Ее дипломная работа была посвящена изучению адсорбции различных веществ активированным углем. Эта “вечная” тема имела самое непосредственное отношение к усовершенствованию противогаза, единственному средству защиты от отравляющих газов, широко применявшихся в Первой мировой войне. Не меньшее значение для Кэти имело и то, что ее работа находилась в русле научных интересов Ленгмюра.

Кэти стала-таки сотрудницей исследовательского центра “Дженерал электрик”. Подозреваю, что при этом руководители компании в первую очередь отдавали долг памяти ее отцу и лишь во вторую воздавали должное способностям девушки, но им не пришлось раскаиваться в своем решении.

Заниматься ей выпало не адсорбцией, а лампами накаливания. Компанию возглавлял Томас Эдисон, изобретатель этих самых ламп. Он был убежден, что идеальная лампочка получается только при использовании высокого вакуума. Ленгмюр, вскоре после своего прихода в компанию в 1909 году, доказал ошибочность этого взгляда. Лампы, заполненные азотом при нормальном давлении, светили сильнее и ярче, были проще в производстве и безопаснее. А еще Ленгмюр обнаружил, что нанесение тончайшего, нанометрового слоя окиси тория на поверхность вольфрамовой нити улучшает ее характеристики. Все эти изменения в технологии принесли компании огромную прибыль, неудивительно, что на работы в этой области были брошены лучшие силы.

В 1924 году компания направила Блоджетт на стажировку в Англию, в Кавендишскую лабораторию, которой в то время руководил Эрнст Резерфорд. Кэти не стушевалась в сугубо мужском коллективе, в состав которого входил, в частности, П.Л. Капица. Она стала первой женщиной, получившей докторскую степень по физике, в истории Кембриджского университета.

По возвращении из Англии Блоджетт наконец занялась делом своей жизни – изучением слоев поверхностно-активных веществ. К этому времени Ленгмюр изобрел устройство, вошедшее в историю под его именем, “ванну Ленгмюра”, которая действительно напоминала ванну, но с подвижными стенками. За счет этого можно было растягивать и сжимать слой мыла на поверхности воды. Ванна, мыло – эти слова ассоциировались с женщинами, возможно, поэтому Ленгмюр отдал эти исследования на откуп Кэти.

Они научились делать с молекулами мыла все, чего ни пожелаешь. При низких концентрациях молекулы плавали поодиночке на поверхности воды и вели себя как своеобразный двумерный газ. С ростом концентрации они конденсировались в плоские “жидкие” капли, а затем “застывали” в сплошной слой толщиной в одну молекулу, который при сжатии приобретал строго регулярную структуру, подобную кристаллу. Эти и многие другие полученные ими результаты были чрезвычайно интересны с научной точки зрения и вполне заслуживали присуждения Нобелевской премии, но их практическая значимость была нулевой. Ведь все эти слои получали на поверхности воды, субстанции, как известно, текучей и изменчивой.

Все переменилось, когда Блоджетт придумала, как переносить эти слои на твердую подложку. В том, что придумала это именно Кэти, сомнений нет. Да, в научной литературе употребляют словосочетание “слои (метод) Ленгмюра – Блоджетт”, но в патентах фигурирует только одна фамилия – Блоджетт. Наука наукой, а роялти врозь.

Метод чрезвычайно прост, как и все великое. Плотный слой мыла на поверхности воды можно уподобить прочному покрывалу, одна сторона которого, обращенная к воде, гидрофильна, а другая – гидрофобна. Возьмем теперь тонкую пластинку, подведем ее стоймя под слой мыла и начнем поднимать вертикально вверх. Вода будет стекать по стенкам, а “покрывало” будет плотно облегать поверхность пластинки. Этот опыт вы можете воспроизвести у себя дома, в тазу или ванне. Все, что вам нужно, – это вода, мыло и хорошо отмытая стеклянная пластинка, на которой вода растекается тонким слоем. Сделав все описанные выше манипуляции, вы получите пластинку, на которой вода собирается в капли. Получилось? Поздравляю, вы только что нанесли на поверхность пластинки слой толщиной в два нанометра и практически осуществили один из классических процессов нанотехнологий.

Технология , конечно, более сложна. Вы и сами, исходя из бытового опыта, уже догадались, что “покрывало” при таком подъеме непременно должно натягиваться и растягиваться, а там и до разрыва недалеко. Вот тут-то и пригодились подвижные стенки, которых, увы, нет в наших ванных. В сконструированном Блоджетт устройстве стенки постепенно сближаются, поддерживая постоянным давление (натяжение) в поверхностном слое. Искусство экспериментатора, желающего получить качественное покрытие, заключается в точном согласовании скорости подъема пластинки и скорости движения стенок ванны.

Как и во всяком деле, самым трудным был первый шаг. Перед Блоджетт, придумавшей, как нанести мономолекулярный слой на твердую поверхность, открылись широчайшие перспективы. Вот и вы, проделав на практике или мысленно описанный выше эксперимент, наверняка уже задавались вопросом: а зачем непременно поднимать пластинку снизу вверх, ведь это так неудобно, почему бы не опускать ее сверху вниз? Что ж, можно делать и так, но при этом “покрывало” ляжет на пластинку другой стороной. “Черный верх, белый низ” трансформируется в “белый верх, черный низ”. Тоже интересно! А кто сказал, что надо брать непременно “голую” пластинку? Действительно, можно взять пластинку с нанесенным на нее монослоем и тем же способом нанести поверх него еще один слой, и еще, и еще. А слои-то могут быть разными, и ориентированы они могут быть по-разному, и т. д. и т. п. Все это не что иное, как молекулярный