Введение

Нанотехнологии, нанотехнологическая революция… Если вы понимаете, что это такое, то вы – счастливое исключение. Большинство людей этого так и не уразумели, несмотря на огромное количество публикаций в СМИ, телевизионных передач и разъяснений с самого высокого уровня. А разобраться все же хочется, даже людям, далеким от науки. Ведь в нанотехнологии государство инвестирует сотни миллиардов рублей, которые можно было бы потратить на более внятные цели – проблем хватает. И хотелось бы знать, во что все это выльется. Речь не идет о том, окупятся ли вложения, в этих категориях у нас мыслят только экономисты, да и те плохо. Но как все это отразится на нашей жизни? Появятся ли новые товары, устройства и технологии? Станет ли от этого наша жизнь лучше и безопаснее или получится, как всегда, – опыт революций у нас богатый и оснований для пессимистических ожиданий предостаточно.

Хотите знать правду? Уточняю потому, что с правдой дело обстоит непросто. Люди, громче всех кричащие о том, что их обманывают и они хотят знать всю правду, верят, как показывает опыт, только тому, что отвечает их умонастроению и ожиданиям, и эту “правду”, как правило ужасную, им с готовностью поставляют СМИ. Люди же здравомыслящие знают, что до правды никогда не докопаться, потому что у каждого она своя, да и кому она нужна, эта правда? “Тьмы низких истин нам дороже нас возвышающий обман”, – как сказал наш великий поэт.

Настаиваете? Отвечаю: никакой нанотехнологической революции не было, нет и не будет. Разговоры о революции потребовались для того, чтобы побудить государства и корпорации раскошелиться на науку, к которой чиновники и бизнесмены стали остывать, а в нашей стране и вовсе махнули на нее рукой. Не будем осуждать ученых за этот маленький блеф, потому что другого способа пробить стену непонимания у них не было.

А нанотехнологии есть? Есть, вот за это – руку на рельсы, голову на плаху. Тут я, поверьте, ничем не рискую. Вы и сами легко убедитесь в этом. Надо всего лишь отогнать навязанный призрак нанотехнологической революции и вглядеться в окружающий нас мир. Он весь наполнен объектами, имеющими наноразмеры, они витают в воздухе и плавают в воде, из них сложено почти все, попадающееся нам на глаза, включая нас самих.

Этот природный наномир ученые изучали на протяжении всей истории науки. Да, они не могли увидеть воочию объекты этого мира, такую возможность им предоставил электронный микроскоп, изобретенный лишь в начале 1930-х годов, разглядеть же тонкую структуру этих объектов ученые смогли только с помощью сканирующих зондовых микроскопов. Именно с изобретения этих уникальных приборов в 1980-х годах многие и ведут отсчет эпохи нанотехнологий. Но это не так. Ученым совсем не обязательно видеть объект, чтобы понять, как он устроен, и тем более для того, чтобы манипулировать им. В конце концов, электроны и электромагнитные волны мы до сих пор разглядеть не можем, но уже более ста лет используем, к нашему всеобщему удовольствию.

То же и с нанообъектами. Исследователи научились управляться с природными нанообъектами и изменять их, получать искусственные нанообъекты и создавать из них разнообразные материалы и устройства. “Разберите” свой компьютер, телевизор, автомобиль, материалы, которыми отделана ваша квартира, одежду, которую вы носите, и продукты из супермаркета, которые вы употребляете в пищу, – везде вы обнаружите множество наноразмерных “деталей”, созданных руками человека, созданных осознанно и целенаправленно. Как можно одним словом назвать все это искусство и производство? Правильно, это нанотехнологии.

Кто их придумал? Однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Можно проследить историю отдельно взятой технологии – до отца-основателя, что, кстати, и делают пропагандисты “революционных” нанотехнологий. Но в том-то и дело, что слово это употребляется во множественном числе, существует великое множество принципиально различных технологий, которые объединяет только то, что все они включают манипулирование объектами наноразмеров. Соответственно и отцов у этого детища современности – нанотехнологий – множество.

Нас ведь в первую очередь интересуют люди – не так ли? Поэтому рассказывать я вам буду о людях, проложивших новые пути в науке и технологиях, об их жизни, о том, как они сделали открытия и как их восприняли современники, какой смысл они вкладывали в обнаруженные явления (зачастую это совсем не то, что мы теперь приписываем им) и понимали ли они сами, что открыли (случалось и такое). Тут мне поневоле придется немного углубиться в науку, но обещаю – никаких формул! Я расскажу вам, во что претворились эти идеи, какие технологии, созданные на их основе, используются уже сейчас, а какие могут быть созданы в будущем и как они изменят нашу жизнь.

Чтобы не упустить важных деталей, я воспользовался новейшим достижением нашего времени – сканирующим зондовым микроскопом. Я проводил его иглой над необъятным полем наномира, пока не обнаруживал “точку роста”, и, зацепившись за нее, доводил нить повествования до наших дней. А потом вновь отправлялся в свободное сканирование. Так что рассказ мой получился причудливым, мы будем легко переноситься из века в век, из страны в страну, из одной области науки в другую. Мне остается только надеяться, что все эти фрагменты пестрой мозаики сложатся у вас в голове в образ нанотехнологий.

Глава 1

Первый

Он был первым, первым во множестве разнородных областей человеческой деятельности, которыми ему выпало заниматься. В одних он был первопроходцем, в других – первенствовал по всеобщему мнению. Его называли “первым американцем”, потому что он олицетворял рождение новой, американской нации, был первым американцем, признанным в Старом Свете, одним из отцов-основателей США, по нему лепили свою жизнь многие поколения американцев, ведь именно он придумал “американскую мечту” и концепцию о неограниченных возможностях янки. Это, несомненно, самый узнаваемый американец, потому что его портрет украшает купюру, перед которой благоговеют все, включая ненавидящих доллар и предсказывающих ему скорый крах. Этого лысоватого патлатого старика знают все, даже не слышавшие его имени, – Бенджамин Франклин.

Звание одного из отцов-основателей нанотехнологий немного прибавит к его заслугам, но мне кажется, что Франклин, разобравшись в сути вопроса, не стал бы отказываться от него, как не отказывался от всех остальных. А мне, признаюсь, начинать рассказ с Франклина просто удобнее, потому что от его экспериментов, выполненных 250 лет назад, легко протянуть несколько логических цепочек вплоть до наших дней. Опять же, 250 – хорошее, круглое число, долгая история придает солидности народам, партиям и наукам.

Описание экспериментов и рассуждения об их отношении к нанотехнологиям оставляем на десерт, а начинаем с главного блюда, с рассказа о личности Бенджамина Франклина и истории его жизни, пытаясь понять, что подвигло его разливать масло на воде (ну вот, проговорился), как он ухитрялся видеть необычное в обыденном и делать неожиданные, глобальные выводы из простых наблюдений, доступных всем и каждому.

Бенджамин Франклин родился в 1706 году, он был пятнадцатым в череде из семнадцати детей сурового пуританина Джозайи Франклина, эмигрировавшего в Бостон из Англии в 1685 году, спасаясь от религиозных гонений. В такой семье не забалуешь – школу мальчик покинул в десятилетнем возрасте, отучившись два класса, все его дальнейшее образование проходило, как говорится, без отрыва от производства. Способ образования был классический, неизменный на протяжении столетий, – чтение всего, что попадется на глаза. Производство вначале было незамысловатым – Бенджамин варил мыло и плавил воск для свечей в мастерской своего отца. Через два года он приобщился к более интеллигентной профессии – стал подмастерьем в типографии своего старшего брата Джеймса.

К тому же времени относятся и первые литературные опыты Франклина – он принялся печь как блины стихотворные баллады, которые с пылу с жару печатались и распродавались его оборотистым братом. Конец этому бизнесу положил отец. “Все поэты – нищие”, – сказал он. Бенджамин проникся аргументом родителя и впредь занимался только прозой, достигнув в ней подлинного мастерства, его “Автобиография” – действительно блестящее литературное произведение. Но, возможно, Франклин при этом утратил что-то важное, не случайно Макс Вебер в своей знаменитой книге “Протестантская этика и дух капитализма” называл Франклина стопроцентным буржуа и расчетливым эмпириком, абсолютно чуждым поэзии, в общем, образцовым американцем.

Вскоре Джеймс Франклин стал издавать газету “Нью-Ингленд курант”, вторую, появившуюся в Америке. Многие считали эту затею безнадежной, полагая, что одной газеты для Америки вполне достаточно. Людям вообще свойственно ошибаться в оценке перспектив идей и предприятий. Вот и Билл Гейтс когда-то считал, что 20 килобайт – максимальный объем оперативной памяти, который когда-либо потребуется пользователям персональных компьютеров. Бенджамин играл роль “мальчика за всё”: набирал и печатал очередной номер, а потом разносил газеты подписчикам. И при этом писал статьи, которые тайком подбрасывал в редакцию.

Отношения с Джеймсом постепенно накалялись, ведь тот видел в Бенджамине в первую очередь подмастерье, которого можно гонять в хвост и в гриву, и только потом – младшего брата. В 17 лет Бенджамин сбежал, что считалось по тем временам серьезным правонарушением, – подмастерье был обязан отработать обучение, не получая при этом ни гроша.

Свой бег он остановил в Филадельфии, городе, который стал для него родным и в котором доныне царит культ Франклина. Он устроился на работу в одну из двух типографий города. Вскоре на работящего, инициативного и любознательного молодого человека обратил внимание сам губернатор Пенсильвании, который отправил его в Англию, наобещав златые горы. Обещания оказались пустыми, Франклин вновь очутился в чужом городе без пенса в кармане и вновь не пропал. Он нашел работу в самой современной типографии и друзей, которые познакомили его с английской журналистикой, а также с многочисленными лондонскими театрами, пабами и борделями, которые Бенджамин посещал, отдавая дань своей молодости и отменному здоровью.

Первая “командировка” Франклина в Англию продолжалась полтора года. Вернувшись в Филадельфию, он начал свой долгий путь наверх. В этом он тоже был первым – первым в длинном ряду американцев, которые сделали себя сами. Начав простым рабочим, Франклин стал владельцем крупной типографии и издателем самой популярной американской газеты того времени “Пенсильвания газетт”. Хорошо усвоив английские уроки, Франклин не надоедал читателям морализаторством и назидательностью, которых в пуританской Америке и так было в переизбытке, он давал им информацию и увлекательное чтение: рецепты, календарь, остроумные житейские советы. Многие из них сохранились в форме афоризмов до наших дней, не утеряв актуальности, как, например, одно из самых известных: “Неизбежны только смерть и налоги”.

Да, он не был “поэтом” – когда в сорок лет Франклин отошел от активных занятий бизнесом, его доход превышал жалованье королевского губернатора Пенсильвании.

Отныне Франклин полностью отдался науке и общественной деятельности. О его научных достижениях чуть позже, пока же просто перечислим то, что он сделал для Филадельфии: основал публичную библиотеку (первую в Америке), Философское общество и академию – Университет Пенсильвании, милицию – специальные отряды добровольцев, патрулирующих по ночам Филадельфию, добровольную пожарную бригаду и первую в истории Пожарную страховую компанию, по его призыву филадельфийцы замостили улицы города, перестали выбрасывать на них мусор и выплескивать помои из своих домов и установили газовые фонари. А еще в течение шестнадцати лет Франклин был почтмейстером Пенсильвании и затем в течение двадцати одного года заместителем генерального почтмейстера североамериканских колоний, благодаря его усилиям американская почтовая служба поднялась на недосягаемую (для нас) высоту, на которой пребывает до сих пор.

В 1757 году Франклин отправился в Лондон в качестве представителя североамериканских колоний. Его вторая английская “командировка” продолжалась долгих восемнадцать лет. Задача Франклина, как и всякого настоящего посла, заключалась в сглаживании недоразумений и напряженностей, которые возникали между метрополией и колониями. Да, в своих статьях он развивал идеи американской нации и союза колоний, но ни о какой революции и тем более о независимости даже не заикался. Он считал необходимым верховенство английской короны, ибо в противном случае “все передерутся”. Все, чего он хотел, – это разумной имперской колониальной политики.

Свою близость к английскому двору Франклин использовал, в частности, для того, чтобы выбить для своего тридцатитрехлетнего сына Уильяма место губернатора штата Нью-Джерси{1}.

А потом что-то случилось, и Франклин резко переменил свои взгляды. В результате он был выслан или отозван из Англии и вернулся в Филадельфию в 1775 году, как раз вовремя, чтобы успеть поставить свою подпись под Декларацией о независимости.

Вопреки распространенному мифу он не был ее автором – ее написал Томас Джефферсон. Он также не был автором Конституции США, под которой стоит его подпись, – утвержденный вариант конституции был представлен Джеймсом Мэдисоном. Франклин не был и никак не мог быть автором Декларации прав человека, потому что это плод Великой французской, а не американской революции[1].

Отношение Франклина к идее равенства было довольно своеобразным. Нет, он, конечно, говорил, что все люди равны, но с существенными оговорками. Он, в частности, считал ложным утверждение о равенстве всех людей по интеллекту, способностям, доброте души. Идея равенства, неоднократно писал Франклин, абсолютно верна в другом смысле: люди равны по причине общего для всех их невежества, тщеславия, глупости и необоснованных претензий на правоту. Признаем, что он был прагматиком, понимал в жизни и в людях и неукоснительно следовал принципу Френсиса Бэкона, одного из своих идейных учителей: надо принимать мир таким, каков он есть, а не таким, каким мы хотели бы его видеть.

Перечень мифов о Франклине заключает курьезное заблуждение, что он был президентом США. Оно проистекает из изображения Франклина на стодолларовой купюре, продолжающей галерею портретов президентов США. Между тем был один принципиально важный политический документ, составленный и подписанный Бенджамином Франклином, единственным из отцов-основателей США. Речь идет о Версальском мирном договоре 1783 года, ознаменовавшем признание независимости североамериканских колоний.

Пребывание Франклина на родине было коротким, уже через полгода после подписания Декларации о независимости он вновь отправился в качестве посла в Европу, на этот раз в Париж. Он умело использовал извечную вражду Англии и Франции, распространившуюся и на территорию Северной Америки, и обеспечил поддержку Францией отколовшихся от Англии колоний. Он также заручился поддержкой еще одной могущественной силы – масонов. Франклин был инициирован в ложу “Девять сестер” и вскоре стал ее гроссмейстером. Среди то ли сестер, то ли братьев числились Вольтер, Кондорсе, Дантон, Гильотен, братья Монгольфье и другие известные персонажи истории. При всем этом Франклин находил время для занятий живописью, игры в шахматы и карты, участия в королевской комиссии по анализу “животного магнетизма” Месмера, ухаживаний за вдовой философа Гельвеция, которой он даже сделал предложение выйти за него замуж, и другими дамами.

Вернулся Франклин в Америку через девять лет и успел насладиться “осенью патриарха” – всеобщим уважением и почетом и должностью президента Пенсильвании. Скончался он в 1790 году в возрасте 84 лет. Долголетие отнюдь не удивительное для того времени. Отец Франклина прожил 89 лет, мать – 85, а сын Уильям – 83.

Что на самом деле достойно удивления, так это как при такой напряженной общественной деятельности Франклин находил время для научных изысканий. Не случайно его считают автором теории “управления временем” – системой правильной организации труда. “Время – деньги” – один из самых известных афоризмов Франклина.

Заметим, однако, что наукой Франклин активно занимался сравнительно недолго, около десяти-пятнадцати лет, и, похоже, не придавал этим занятиям большого значения – в его “Автобиографии” они упоминаются лишь вскользь. Некоторые злопыхатели, без которых не обходится ни один великий человек, считали его посредственным ученым. Они не правы в принципе. Франклин вообще не был ученым в современном понимании этого слова. Он был изобретателем и пытливым наблюдателем природы, естествоиспытателем, или философом природы, натурфилософом. При этом он сделал столько, что подавляющему большинству ученых и не снилось.

Наибольшую известность ему принесли работы по электричеству. Чтобы оценить величие Франклина, достаточно вспомнить, что знало человечество об электричестве в 1747 году, когда начинающий сорокалетний ученый впервые столкнулся с этим явлением. По сути дела, все исчерпывалось проскакиванием искры между двумя палочками, натертыми шерстяной тряпкой, притягиванием или отталкиванием от этих палочек легких предметов типа перышка и сконструированным незадолго до этого незамысловатым устройством под названием “лейденская банка”, представляющим собой стеклянную бутылку, заполненную водой и заткнутую пробкой с вставленным металлическим стержнем. Разряд лейденской банки вызывал в теле человека крайне неприятные ощущения, всем нам хорошо знакомые, которые тем не менее обладали для современников непонятной притягательной силой.

Нечто подобное Франклин и увидел на “лекции” приехавшего из Шотландии доктора Спенса. В сущности, это было балаганное зрелище за деньги, но оно, по собственному признанию Франклина, “изумило его и доставило ему удовольствие”. Поразительно, но всего через два года он уже сформулировал свою основную гипотезу о природе электричества: “Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, так как они могут пронизывать обычные вещества, такие плотные, как металл, с такой легкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления”. Через два с лишним столетия великий физик Петр Леонидович Капица напишет: “Эта картина до сих пор в основном остается правильной… В наши дни мы называем эти “крайне малые частицы” электронами”.

Тогда же Франклин ввел в обращение столь привычные для нас обозначения “+” и “-”. Он полагал, что любое тело является как бы губкой, насыщенной частицами электричества. Тело, получившее при электризации избыток электрических частиц, заряжено положительно, а тело, имеющее недостаток этих частиц, заряжено отрицательно. Сейчас мы придерживаемся диаметрально противоположной точки зрения, но обозначениями Франклина тем не менее пользуемся.

А еще он высказал предположение об электрической природе молнии и предложил способ экспериментальной проверки своей гипотезы с помощью воздушного змея. Сегодня кажется странным, что Франклин опубликовал эту идею, нисколько не озаботившись тем, что кто-либо может воплотить ее в жизнь и приобрести тем самым всемирную славу. Но дело в том, что его абсолютно не волновали вопросы приоритета, столь значимые для ученых последующих поколений и особенно наших дней, если судить по многочисленным, выходящим зачастую за грань приличия дискуссиям в СМИ и научном сообществе.

Теория Франклина вызвала бурные дебаты, многие ученые отвергали ее с порога: что может предложить этот дилетант и к тому же американец?! Поведение в этой ситуации Франклина опять могло бы послужить примером для последующих поколений ученых. Он не бросился доказывать свою правоту, выступать на конференциях и писать письма в редакции. “Я, – рассказывал Франклин в “Автобиографии”, – решил предоставить мои доклады их участи, полагая, что будет лучше использовать время, которое я могу выкроить из занятий общественными делами, для производства новых экспериментов, чем для дискуссии по поводу уже произведенных”. Время подтвердило правоту Франклина, его теория была признана. Истина всегда прокладывает себе дорогу, рано или поздно.

Что же касается “дилетанта”, то лучше всего по этому поводу высказался П.Л. Капица: “Франклин первый правильно понял существо электрических явлений и поэтому открыл правильный путь для дальнейших исследований в этой области… На таких начальных этапах развития науки точность и пунктуальность, присущая профессиональным ученым, может скорее мешать выдвижению такого рода смелых предположений. В начальной стадии изучения электричества требовалось, чтобы был сделан такой смелый шаг. И Франклин его сделал”. Мне кажется, что эти слова применимы к любой новой области науки.

Вполне возможно, что олимпийское спокойствие Франклина во время обсуждения его теории объяснялось практическим складом его ума: зачем ломать копья вокруг теоретических выкладок, если можно предъявить созданное на их основе работающее устройство. С этим уже не поспоришь. Опыты с лейденской банкой привели Франклина к изобретению конденсатора, без которого немыслимы современные электронные устройства. Опыт с воздушным змеем нашел воплощение в громоотводе.

И вновь необычное поведение: Франклин не стал патентовать громоотвод, хотя было очевидно, что это изобретение может принести ему огромное состояние в кратчайший срок. Это даже как-то не по-американски, сказали бы мы с высоты нашего времени. Но точно так же не стал Франклин патентовать и изобретенную им железную печь, которая требовала намного меньше дров и лучше обогревала дома, чем традиционные английские камины. В США это устройство называют “печью Франклина” и используют до сих пор, ее отголоском в России стала знаменитая “буржуйка”.

Франклин считал, что изобретения и научные достижения должны принадлежать всему обществу, а не какому-то конкретному человеку. “Получая удовольствие от чужих изобретений, приятно сознавать, что и ты можешь оказать услугу людям”, – говорил он. Впрочем, некоторые свои изобретения Франклин все же патентовал, например кресло-качалку или бифокальные очки, которые он изобрел в восьмидесятилетнем возрасте: жизнь, видно, заставила.

Кстати, курьезный случай произошел во Франции во времена жизни там самого Франклина. В городе Сент-Омере некий господин де Виссери установил на своем доме громоотвод, так его соседи подали на него в суд: громоотвод-де притягивает молнию, а это угрожает безопасности их жилищ. Процесс длился четыре года и приобрел вселенское значение. На нем сделал себе имя молодой адвокат ответчика Максимилиан Робеспьер, который в конце концов выиграл дело. Со стороны истцов одним из экспертов выступал Жан-Поль Марат, который считал громоотвод опасным и вредным экспериментом. Как тесен мир!

В заключение скажем, что, несмотря на первоначально настороженное отношение, научное сообщество довольно быстро признало Франклина. Почин положили американские Кембриджский и Йельский колледжи, которые присвоили ему степень магистра искусств. “Так, не учившись ни в одном колледже, я стал пользоваться их почестями”, – удовлетворенно заметил в своей “Автобиографии” Франклин. В 1762 году Оксфордский университет присвоил ему степень доктора, позднее он стал почетным членом Королевского общества, а затем первым американцем – иностранным членом Петербургской академии наук.

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 и успокоился, но Франклин провел собственное расследование.

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 нанообъекты 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[2], 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”.

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.

Вот об этих открытиях я и расскажу в последующих главах. И, прочитав эту книгу, читатель поймет, почему ее автор утверждает: история нанотехнологий началась гораздо раньше, чем полагают многие.

Глава 2

О величии и юбилейных рейтингах

Принято считать, что в XVIII веке в России был только один великий ученый – Михаил Васильевич Ломоносов. Но мало кто помнит (или знает), что в том же столетии в нашей стране жил и работал ученый, имеющий не меньше, а может, и больше оснований считаться великим, и звали его Тобиас Ловиц. И его открытия прямо связаны с нанотехнологиями.

Тобиас Ловиц родился в Германии, в Гёттингене, в 1757 году. В Россию он попал в десятилетнем возрасте, когда его отца, астронома Георга Ловица, пригласили работать в Петербургскую академию наук. Вскоре они отправились в экспедицию в прикаспийские степи и в самом ее конце, уже при возвращении, случилось трагическое происшествие, первое в череде несчастий, с удивительным постоянством преследовавших Тобиаса всю его жизнь. Вот как описал это происшествие А.С. Пушкин в “Истории Пугачёва”: “Пугачёв бежал по берегу Волги. Тут он встретил астронома Ловица и спросил, что за человек. Услышав, что Ловиц наблюдал течение светил небесных, он велел его повесить поближе к звездам”.

Каким образом удалось выжить в этой передряге семнадцатилетнему Тобиасу, история умалчивает, но пережитое нервное потрясение сказывалось многие годы, подрывая и без того некрепкое здоровье. Юношу определили на казенный кошт в петербургскую Академическую гимназию, а вскоре он стал подрабатывать учеником аптекаря в Главной аптеке. Эмигрантский хлеб горек, и в какой-то момент Ловиц решил вернуться на родину, где он два года изучал медицину в Гёттингенском университете. Затем он во второй раз, уже по собственной воле, отправился в Россию, страну богатейших возможностей, в которую в ту пору ехали многие, особенно немцы, а уезжали из России единицы.

Ловиц так и не закончил курса ни гимназии, ни университета, в сущности, он был гениальным ученым-самоучкой, на практике овладевавшим всеми премудростями науки. Работать он устроился все в ту же Главную петербургскую аптеку, где увлекся химией. В ту пору аптеки наряду с университетами были средоточием научной жизни, а лаборатория, в которой выпало работать Ловицу, оснащением превосходила химическую лабораторию Академии наук, которая после смерти ее основателя, М.В. Ломоносова, постепенно приходила в упадок.

Второе пришествие сложилось лучше первого. Ловиц в совершенстве овладел русским языком, звался на русский манер Товием Егоровичем, имел хорошую работу. Вот только семейная жизнь не задалась – четверо детей умерли во младенчестве, а затем сошла в могилу и жена. “Он не знал других радостей кроме тех, что доставляли ему его химические открытия” – так напишут через много лет в его некрологе.

А открытия не заставили долго ждать. Первое, и для целей нашей книги самое важное, случилось всего лишь через год после начала работы, в 1785 году. Дело было так. Ловиц занимался приготовлением чистой винной кислоты перекристаллизацией ее из раствора. Эксперименты раз за разом не удавались – кристаллы были неизменно окрашены в грязный, бурый цвет. Но вот однажды колба разбилась и содержимое вылилось в песчаную баню, в которой помимо песка было много угольной пыли, – для нагревания в тогдашних лабораториях использовали уголь. Будь мы на месте Ловица, непременно вывалили бы всю эту кашу в помойное ведро и, тяжело вздохнув, принялись бы за новый эксперимент. Но чем отличается великий ученый от нас, простых смертных? Ловиц не поленился собрать разлитый раствор, отфильтровать, выпарить и в результате получил изумительно чистые кристаллы. А еще он понял, что все примеси, столь мешавшие ему, осели на частичках угля.

Так Ловиц открыл явление адсорбции – поглощение твердыми телами различных веществ из жидких растворов или из газов. “Это открытие одно сделало бы имя Ловица бессмертным”, – писал его первый биограф А.И. Шерер. И вы, несомненно, согласитесь с этим мнением, узнав, что одним из первых приложений открытого явления стала очистка “хлебного вина”, попросту водки, от сивушных масел. Путь от открытия до практического внедрения был пройден всего лишь за год, новый способ очистки получил широкое распространение как в России, так и за рубежом и применяется, по сути, до сих пор.

Адсорбция – одно из важнейших явлений в науке и один из наиболее универсальных приемов в технологии. Ловиц неустанно расширял сферы приложения своего открытия. С одной стороны, он пополнял список возможных адсорбентов, твердых тел-поглотителей, используя не только древесный, но и животный, костяной и каменный угли. С другой стороны, применял адсорбцию для очистки все новых веществ – лекарственных препаратов, питьевой воды, селитры, составной части использовавшегося тогда черного пороха, и многих других. Практический эффект этих работ был настолько велик, что Ловица уже в 1787 году избрали членом-корреспондентом, а в 1793 году – действительным членом Петербургской академии наук, он занимал руководящие посты в Медицинской коллегии и в Вольном экономическом обществе, аналоге современной Торгово-промышленной палаты.

Вот еще один пример “адсорбционных” изысканий Ловица. В те времена сахар в России был малодоступным и дорогим импортным продуктом. Зато у нас было много меда, вот Ловиц и попытался приготовить отечественный сахар, выделяя его из меда с помощью адсорбции на угле. Сладкий компонент меда он выделил, но это был не сахар. Ловиц назвал его “несовершенным” сахаром, мы знаем его под именем “фруктоза”. Многие почитают ее куда более совершенным продуктом, чем сахар. Как бы то ни было, именно с этой работы Ловица ведут отсчет исследований по химии сахаров в России.

Ловица считают также основоположником еще одной важнейшей области науки – кристаллографии или, более широко, кристаллохимии. Он был первым ученым, систематизировавшим кристаллы. Результатом исследования стали 288 восковых моделей возможных форм кристаллов и богатейшая коллекция природных минералов. К слову сказать, строгий математический анализ всего разнообразия возможных кристаллических структур был осуществлен спустя век российским ученым Евграфом Степановичем Фёдоровым. Общее число открытых им пространственных групп, называемых поныне “группами Федорова”, составило 230. Товий Егорович не сильно промахнулся.

Занимаясь кристаллизацией при низких температурах, Ловиц изобрел одну из самых известных охлаждающих смесей – смесь хлорида кальция со снегом. Электрических холодильников тогда не было, так что изобретение имело важнейший практический смысл. Эта простая смесь позволила получить невиданно низкую по тем временам температуру – около -50° по школе Цельсия. При ней замерзала даже ртуть в ртутном термометре. Это свойство Ловиц умело использовал при демонстрации своего изобретения перед коллегами в Академии наук или перед членами императорской фамилии. Он намораживал килограмм ртути на деревянную палку и этим ртутным молотком забивал гвозди в доски. Публика была в восторге. Блестящий пиаровский ход, как сказали бы в наше время.

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 – ну не было тогда Интернета! Что не помешало ему выполнить важные исследования по химии стронция и хрома, а также титана и ниобия – еще двух экзотических по тем временам элементов.

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.

У природы и ученых есть в арсенале более изощренные методы создания твердых тел с высокой удельной величиной поверхности, чем механическое сверление, но общий принцип сохраняется: все практически важные сорбенты имеют внутреннюю пористую структуру, характеризующуюся наноразмерами.

Таков активированный уголь, таблетки которого мы глотаем при желудочных отравлениях. Получают его до сих пор почти по Ловицу, обжигом без доступа воздуха древесины или костей животных, но лучше всего – скорлупы кокосовых орехов. Активацию полученного таким образом угля осуществляют попросту обработкой перегретым водяным паром, при этом вскрываются и очищаются внутренние поры, диаметр которых составляет несколько нанометров. После такой обработки активированный уголь готов принять на своей поверхности всякую гадость из содержимого нашего желудка, вредные вещества из питьевой воды или смолы из табачного дыма.

Другой сорбент, не менее важный и также встречающийся вам в быту, – силикагель. Пакетики с ним часто кладут в упаковку различных товаров, чтобы не отсыревали, – силикагель прекрасно сорбирует влагу из воздуха. По своему составу силикагель – тот же песок, только пористый. И получить его можно из песка с помощью незамысловатых операций – обработка щелочью, обработка кислотой, нагревание. Хитрость кроется в режимах обработки. Варьируя их, получают огромное количество марок силикагеля с различными диаметрами пор, в единицы и десятки нанометров.

И, говоря о сорбентах, нельзя обойти вниманием цеолиты – одно из самых совершенных и красивых творений мира неорганической природы. Казалось бы, обычная глина (даже и по составу), но заглянем внутрь! Представьте себе полость в форме правильного многогранника – кубооктаэдра, соединенную шестью “окнами” правильной формы с шестью точно такими же полостями и так до бесконечности, с регулярностью идеального кристалла. Собственно, цеолиты и являются кристаллами, но очень своеобразными. У меня же при взгляде на их структуру возникает другая ассоциация – с громадной космической станцией, одинаковые отсеки которой соединены между собой шлюзами.

Внутренний диаметр полости составляет 1,1–1,2 нм, форма же и диаметр “окон” зависит от типа цеолита. Бывают квадратные окна с диаметром менее 0,1 нм, шестичленные – 0,22 нм, восьмичленные – 0,4–0,5 нм, двенадцатичленные – 0,8–0,9 нм.

Как минералы цеолиты известны с незапамятных времен, но на их необычные свойства первым обратил внимание шведский естествоиспытатель Аксель Фредрик Кронштедт. В 1756 году он обнаружил, что при нагревании стильбита, минерала семейства алюмосиликатов, происходит вспучивание – увеличение объема образца, сопровождающееся выделением воды. Поэтому он и ввел термин “цеолит”, что в переводе с греческого означает “кипящий камень”. Впоследствии оказалось, что аналогичным свойством обладают и другие минералы этого семейства – клиноптилолит, морденит, фожазит, шабазит.

Ученые, расшифровав структуру цеолита более полувека назад, задались амбициозной целью воспроизвести и превзойти Природу. Это удалось сделать практически одновременно исследователям из СССР, США и Великобритании. Они разработали технологии производства синтетических цеолитов, позволявшие получать вещества с заданной структурой, не встречавшиеся ранее в природе. К настоящему времени синтезировано и изучено уже более 500 различных цеолитов, различающихся формой и размерами полостей и окон, составом и свойствами. В частности, ученые научились варьировать в относительно широких пределах (до 1,5 нм) размер пор цеолита.

Зачем это нужно? Алюмосиликаты, в частности глины, сами по себе являются хорошими сорбентами и с большей или меньшей эффективностью поглощают все компоненты сложных смесей. Но в цеолитах в дело вмешивается размерный фактор. В коммерческом цеолите А, например, диаметр входных отверстий составляет 0,22 нм, что совпадает с размером молекулы воды. Молекулы больших размеров просто не пролезут в цеолит, поэтому из влажной смеси газов цеолит А сорбирует только воду. Благодаря этому свойству цеолиты называют часто молекулярными ситами. При этом цеолиты поглощают воду до тех пор, пора она полностью не заполнит все свободное пространство внутри сорбента, все полости и поры.

Еще ярче молекулярно-ситовой эффект проявляется в случае углеводородов. Цеолиты с диаметром пор 0,4–0,5 нм пропускают внутрь линейные молекулы и дают от ворот поворот их разветвленным изомерам. Это свойство применяется в процессе депарафинизации керосино-газойлевых и масляных фракций нефти. Проблема состоит в том, что линейные (нормальные) углеводороды обладают высокой температурой застывания и их удаление из фракции снижает температуру застывания моторных топлив и масел, что чрезвычайно важно для России с ее зимними холодами.

С цеолитами вы сталкиваетесь и в быту, ведь современные стиральные порошки содержат от 15 до 30 % цеолитов. Они избирательно поглощают из воды ионы кальция и магния, именно поэтому современные стиральные порошки можно использовать в воде любой жесткости.

Но основная область применения цеолитов все же не адсорбция, а процессы нефтепереработки, где они произвели настоящую революцию. Они не только заменили в ряде процессов платиновые катализаторы, что само по себе поразительно, настолько сильно они различаются по химической природе и цене. При этом они еще позволили увеличить эффективность процессов: если в 1980 году, до внедрения синтетических цеолитных катализаторов, на производство одной тонны моторного топлива расходовали две тонны нефти, то сейчас – менее полутора.

Впрочем, мы заступили на поле катализа, о котором речь пойдет впереди, сразу в нескольких главах, ведь катализ – одна из основных областей нанотехнологий. Поэтому не будем больше углубляться в этот вопрос и подчеркнем лишь одну общую мысль: свойства поверхности зависят не только от ее химического состава и условий обработки, но и от геометрии. В наибольшей степени этот эффект проявляется при радиусе кривизны поверхности порядка нанометров, возможно, за счет роста напряжений и избыточной поверхностной энергии. Именно поэтому свойства поверхности, обрамляющей поры полости цеолитов, столь разительно отличаются от свойств плоских поверхностей алюмосиликатов с близким химическим составом.

Ученые имеют в запасе еще один мощный метод изменения свойств поверхности и тонкого регулирования структуры сорбентов или, в более общем случае, твердых тел. Представляю его с особым удовольствием, потому что с ним связаны пятнадцать лет моей жизни. Речь идет о химическом модифицировании поверхности. Конкретно мы занимались прививкой разнообразных органических соединений к поверхности неорганического вещества – силикагеля. Тогда совмещение воедино столь разных субстанций называлось скрещиванием ужа и ежа, аналогия нашего времени, порожденная рекламой, – пересадка волос на лысину. То, что мы получали, было действительно похоже на ежика – частокол органических молекул, накрепко связанных с поверхностью. Толщина этого слоя равнялась длине молекулы, то есть 1–2 нм.

Зачем мы этим занимались? Во-первых, это была интересная научная задача, находящаяся на переднем крае науки того времени, 70–80-х годов прошлого века. Во-вторых, получаемые материалы имели просто необъятное поле применения, в том числе в качестве сорбентов. Целенаправленно выбирая структуру прививаемого органического соединения, мы синтезировали сорбенты для извлечения из растворов конкретных ионов металлов, определенных органических веществ, аминокислот, белков и других биологически активных соединений. Извлечения и разделения. Разделения и определения. Затем, уже в новые времена, мы организовали производство разработанных нами сорбентов, их ассортимент сейчас измеряется сотнями наименований, они широко используются для мониторинга загрязнений окружающей среды, химического и биохимического анализа, в биотехнологии. Это была славная охота!

Число работ, выполненных в этой области, огромно. Одни группы исследователей покрывали поверхности плотным слоем неорганических веществ толщиной от одного атома до нескольких нанометров, другие использовали для этой цели готовые полимеры или осуществляли реакции полимеризации на поверхности, третьи закрепляли на поверхности белки и ферменты – классические нанообъекты и т. д. Не будет большим преувеличением сказать, что к концу прошлого века ученые могли привить что угодно к любой поверхности.

Достигнутый уровень технологий в этой области таков, что позволяет делать просто феноменальные вещи. Берут, например, стеклянную пластинку 1x1 см, мысленно разделяют ее на десять тысяч участков и на каждый участок прививают, уже реально, а не мысленно, какое-то конкретное соединение. В сущности, получают сборку из десяти тысяч различных сорбентов, каждый из которых настроен на связывание определенного, индивидуального вещества. Если учесть, что размер каждого участка сопоставим с размером подковки для блохи, то все это не что иное, как изготовление десяти тысяч различных подковок и прибивка их в строго определенном порядке.

Затем окунают эту пластинку в раствор, вынимают, промывают и рассматривают в “мелкоскоп”, чтобы определить, на каких участках прошла адсорбция, и так определяют вещества, которые содержались в испытуемом растворе и число которых может измеряться тысячами.

Фантастика, скажете вы. Да нет, обычный биочип, выпускается с начала 1990-х годов. Не придавайте большого значения слову “чип”. Дело в том, что американская компания “Affimetrix”, первой запустившая их производство, использовала при этом некоторые технологические приемы из микроэлектронной промышленности. Это единственная связь биочипов с микроэлектроникой. Их применяют для сложных биохимических анализов. Например, с их помощью можно быстро проанализировать геном пациента и определить его предрасположенность к тому или иному наследственному заболеванию. Есть все основания надеяться, что в недалеком будущем эта процедура станет вполне рутинной и доступной всем нам по цене.

Завершая этот панегирик явлению адсорбции и работающим в этой области исследователям, наследникам Ловица, еще раз подчеркнем универсальность применений адсорбции. Не будь ее, мы бы давно отравились водой, которую пьем, и воздухом, которым дышим. (Здесь нас спасают природные механизмы адсорбции, но и разнообразные очистные сооружения тоже вносят заметный вклад.) Сорбенты используют для опреснения морской воды, для выделения ценных металлов из руд, для производства множества товаров, используемых нами в быту, для анализа загрязнений окружающей среды и контроля качества продукции. В общем, невозможно представить нашу сегодняшнюю жизнь без сорбентов, которые, как неоднократно и специально подчеркивалось, почти все имеют наноструктуру.

И вот на этом фоне в последние несколько лет зазвучали заявления, что нанотехнологии позволят создать высокоэффективные сорбенты нового поколения. Специалистов взяла оторопь: а мы-то чем всю жизнь занимались, как не созданием этих самых сорбентов? Занимались, но на основе устаревших принципов, отвечают им, а нанотехнологии… (далее по тексту). И вот уже в новостных лентах, публикациях СМИ, в лекциях и научно-популярных статьях начинают появляться примеры сорбентов нового поколения, полученных методами нанотехнологий.

Одну из таких разработок охочие до сенсаций и составления всяческих рейтингов журналисты включили даже в “лучшую пятерку нанодостижений” года[3]. Подкупает, конечно, важность поставленной задачи: очистка питьевой воды от соединений мышьяка. Эта проблема очень остро стоит в некоторых развивающихся странах Азии и Африки. По данным Всемирного банка, число людей, страдающих от заболеваний, вызванных мышьяком, составляет около 65 миллионов. А Национальная инженерная академия США установила премию в один миллион долларов для того, кто предложит простой, дешевый и эффективный способ решения проблемы. Неудивительно, что сразу несколько групп исследователей стали работать в этом направлении.

Больше всех преуспели специалисты из Университета Райса в Техасе под руководством Вики Колвин. Они предложили использовать для связывания соединений мышьяка ржавчину, измельченную до частиц наноразмеров. Технология очистки в полной мере отвечает поставленным требованиям: вы всыпаете в загрязненную воду немного порошка из баночки, взбалтываете, вытягиваете частицы из раствора с помощью обычного магнита и в результате получаете воду, пригодную для питья, согласно действующим стандартам.

Несколько лет назад относительно молодой (р. 1965) американский ученый иорданского происхождения Омар Яги (Omar Yaghi) из Университета Калифорнии получил очень интересные кристаллические вещества, внутренняя структура которых чрезвычайно похожа на цеолиты – те же полости и окна с размером менее одного нанометра. Но в отличие от цеолитов, содержащих атомы кремния, алюминия и кислорода, эти материалы собраны из органических молекул[4] и ионов металлов – цинка или кобальта. Структурой и судьбой им предопределено быть хорошими адсорбентами, и действительно – кобальтовый “цеолит” хорошо поглощает маленькие молекулы углекислого газа, целых 89 литров на литр сорбента.

Это послужило основанием для громогласного заявления: “Техническая сторона проблемы избирательного удаления углекислого газа решена. При помощи разработанных нами структур можно создавать ловушки именно для СО₂, не задерживая остальные газы. Захваченный газ хранится в специальном резервуаре, и, до тех пор пока этот резервуар не будет вскрыт, СО₂ там будет пребывать”. Ключ к успеху – способность сорбента поглощать углекислый газ “на уровне молекул”. Это должно было найти отклик в душах присутствующих: сразу виден прогресс науки, мы теперь можем работать на уровне атомов и молекул, не то что раньше, до эпохи нанотехнологий! Мы-то с вами понимаем, что ни на каком другом “уровне” углекислый газ поглотить невозможно, потому что молекула – это форма его существования. Но государственным чиновникам, которым, собственно, и был адресован этот пассаж, не до этих тонкостей, они мыслят глобальными категориями. Предмет их главных, доходящих до маниакальной одержимости забот – техногенные выбросы углекислого газа, и они готовы щедро финансировать любые работы по его поглощению из атмосферы и последующему захоронению.

Они, конечно, обращаются к экспертам. Сорбент хороший? Очень интересный! Много углекислого газа поглощает? Много, отвечает эксперт, подразумевая: для сорбента. Дело в том, что литр щелочи средней концентрации поглощает еще больше углекислого газа, но это не сорбция и уж тем более не нанотехнологии, это добрая, старая “школьная” химия. Вопроса о том, можно ли с помощью этого сорбента решить проблемы выбросов углекислого газа, уже не следует, все и так понятно.

На самом деле ответ на вопрос получить нетрудно, если знать (или рассчитать по элементарному, школьному уравнению реакции), что при сгорании одного литра бензина образуется ~1500 литров углекислого газа. Для его поглощения необходимо около 17 литров сорбента. Подозреваю, что вы уже прикидываете в уме, сколько килограммов (литров) такого сорбента вам необходимо будет взять с собой в поездку на дачу и сколько лишнего бензина вы при этом сожжете. Подозреваю также, что для поглощения углекислого газа, извергаемого за один лишь день автотранспортом Москвы, потребуется израсходовать весь общемировой запас кобальта.

Как при этом расценивать приведенное выше заявление – как некомпетентность или блеф? Руководствуясь презумпцией невиновности и принципами уважительного отношения к коллегам, склоняюсь к мысли, что это все же блеф.

Да, блефа в нанотехнологиях много. Отчасти это порождается самой системой финансирования науки. Если, например, в нашей стране реально финансируются только работы в области нанотехнологий, то исследователи при подаче заявок на гранты просто вынуждены вставлять куда ни попадя приставку “нано”. С волками жить – по-волчьи выть. В какой-то мере это можно по-человечески понять и извинить.

Но совсем другое дело – сознательный обман, чрезмерные и в принципе невыполнимые обещания или, наоборот, продажа заведомо устаревшей научной разработки, облеченной в упаковку звучных модных терминов. Наибольший ущерб этот “наноблеф” наносит самим нанотехнологиям. Общественность разочаровывается в них, потому что не видит примеров реализации “принципиально новых” технологий. Специалисты укрепляются в скептическом отношении к нанотехнологиям и почитают их самих широкомасштабным блефом, придуманным исключительно для “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.