Атлас, Города и страны, моря и океаны. Вокруг Света, Тайны ХХ века, Целый мир в твоих руках

Кухня, ванна и высокая наука

Кухня, ванна и высокая наука - 5.0 out of 5 based on 1 vote
Рейтинг:   / 1
ПлохоОтлично 

Agnes PockelsИмена женщин не так часто встречаются в истории науки. И не потому, что женщины глупее мужчин (зачастую наоборот). Про-стонаука требует полной самоотдачи, отрешенности от житей­ских дел, а порой и фанатичности в достижении цели — только так можно добиться успеха. У женщин же в этом мире есть задачи поважнее — дети, муж, семейный очаг. Полностью отдают себя науке лишь немногие представительницы пре­красного пола. Но именно тогда они выступают с мужчинами на равных и становятся знаменитыми. Сегодня наш рассказ о двух замечательных исследовательницах, чьиимена вписаны в историю нанотехнологий.

Домохозяйка Агнесс

Она была домохозяйкой. Звали ее Агнесс Луиза Вильгель-мина Покелс. Родилась она в 1862 году в Венеции, которая входила то время в состав Австрийской империи. А отец Аг­несс был офицером австрийской армии. В1871 году Покелсы перебрались в Брауншвейг, город в Нижней Саксонии, 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 оыло много позже. Пока же Агнесс читала учебники по физике своего Ората-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, плещется все время по-разному, и это, очевидно, связано с поверхностным натяжением воды и с жиром, который смывается с тарелок.

Этот вопрос настолько ее заинтересовал, что Агнесс ре­шила изучить влияние 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 она сконструировала незамысловатое устройство, ключевым элементом которого была пуговица, которую она клала на поверхность жидкости, а потом измеряла силу ее отрыва от поверхности. Ее научной лабораторией стала, как нетрудно догадаться, кухня.

Упорство, настойчивость, аккуратность — эти свойства вы­годно отличают женщин от мужчин, и Агнесс Покелс обладала ими в полной мере. Вкупе с немецкой методичностью это позволило ей получить огромный массив данных, пролива­ющих свет на практически не изученную 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 журнале «Nature». Статья Агнесс Покелс вышлав 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 четверть века спустя, в ос­новном благодаря усилиям Ирвинга Ленгмюра( 1881—1957).

Немногое изменила эта статья и в жизни самой Агнесс По­келс. Она постепенно оставила занятия наукой. Запоздалое признание пришло через сорок лет. 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 лежало на поверхности

Что же все-таки сделала Покелс? Она впервые изучила то, что лежало на поверхности, буквально и метафорически.

В истории человечества немало примеров того, как люди десятилетиями и даже столетиями используют какое-ни­будь явление, не понимая, какие механизмы лежат в его основе, — технологии опережают науку. В этом нет ничего удивительного, ведь для подавляющего большинства людей практический результат важнее понимания. 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, от них требуют практический результат, а оптимизировать технологию можно и без понимания сути явления. И наконец, ученые всегда стремятся к открытию нового, это намного интереснее и престижнее, чем объяснять давно известное и старое.

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), 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 стеариновых свечей, который он получил вместе с Жозефом Гей-Люссаком.

Неудивительно, что именно к Шеврёлю обратились вла­дельцы некой текстильной фабрики с просьбой выяснить состав мыла — ведь его получали из животного жира обра­боткой содой. Шеврёль установил, что мыло — это натриевая соль дли иной органической кислоты. Такие кислоты с тех пор 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, узнав состав мыла, они 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 не изученным 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.

Обнаруженный эффект гораздо проще объяснить с высоты нашего современного знания. Молекулам мыла, в целом пло­хо смачивающимся водой, некомфортно в глубине, 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 ас-социату бесконечной протяженности, состоящему из плотно прилегающих и определенным образом ориентированных молекул. Конечно, все это еще предстояло доказать, однако 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 Великобритании, в университете Бристоля. Он изучал электропроводность растворов мыла, которая оказалась аномально высокой. Для объяснения по­лученных результатов он предположил, что самоорганизация молекул мыла может протекать не только на поверхности, но и в объеме раствора. Следуя Макбейну, мы можем зри­мо представить, как это происходит: гидрофобные хвосты молекул мыла сплетаются между собой, образуя подобие капельки масла, поверхность которой покрыта гидрофиль­ными головками, обращенными к воде. Эти гипотетические частицы Макбейн назвал мицеллами.

Последующие исследователи подтвердили правильность его предположения. Оказалось, что размер мицелл наиболее распространенных ПАВ составляет несколько нанометров, а в их состав входит несколько десятков молекул. Формиру­ются мицеллы весьма необычно. Логично было бы предположить, что сначала в растворе образуются агрегаты из двух молекул, потом из трех, и так до тех пор, пока не возникнет полноценная мицелла. Для нас, высших животных, такое по­ведение вполне естественно. Когда-то наши предки бродили в одиночестве по лесам и степям, потом стали сбиваться в семьи, роды, племена, чтобы в итоге превратиться в нацию или «новую историческую общность людей — советский на­род». 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. Иными словами, 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 застрель­щицы этой области коллоидной химии, основные же иссле­дования развернулись четверть века спустя.

Первая женщина — доктор физики в Кембридже

katarina blodzettКатарина Блоджетт родилась 10 января 1898 года в Скенекта­ди, штат Нью-Йорк. За несколько недель до ее рождения в се­мье произошла трагедия: вооруженный грабитель, проникший в их дом, застрелил отца Кэт, 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, и это позволило молодой вдове с сыном Джорджем и маленькой Кэт перебраться сначала в Нью-Йорк, а в 1901 году— во Францию, где они прожили одиннадцать лет.
После возвращения в США Кэт 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, и помнившие с самой лучшей стороны, так что Кэт встретили как родную. Ее пред­ставили новой «звезде» компании, довольно молодому, трид­цатипятилетнему мужчине, докторанту Геттингена, блестящему ученому и просто красавцу Ирвингу Ленгмюру. Судьба Кэт 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 тема имела самое непосредственное отношение к усовершенствованию противогаза, единственному средству защиты от отравляю­щих газов, широко применявшихся в Первой мировой войне. Не меньшее значение для Кэт имело и то, что она находилась в русле научных интересов Ленгмюра.

Она 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, наноме-трового слоя окиси тория на поверхность вольфрамовой нити улучшает ее характеристики. Все эти изменения в технологии принесли компании огромную прибыль, и 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 Эрнест Резерфорд. Кэт не стушевалась в сугубо мужском коллективе, в котором, кстати, был П.Л.Капица. Она стала первой женщиной в истории Кембриджского универси­тета, получившей докторскую степень по физике.

Ванна, мыло и слои Ленгмюра — Блоджетт

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. «Ванна Ленгмюра» 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 Кэт.

Они научились делать с молекулами мыла все, чего ни пожелаешь. При низких концентрациях молекулы плавали поодиночке по поверхности воды и вели себя как своего рода 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 Кэт, 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 ванной. 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, потому что стекло теперь покрывает слой мыла толщиной в два на­нометра. Практически вы 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, открылось огромное поле для деятельности. Вот и вы, проделав на практике или мысленно описанный выше эксперимент, наверняка зада­лись 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» трансформируются 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. Перед нами молекулярный конструктор, в который можно играть до бесконечности.

Сейчас в научно-популярной, да и в научной литературе, можно встретить утверждения, что в тридцатые годы метод Ленгмюра — Блоджетт вызывал чисто академический инте­рес, практическую же его реализацию стимулировало лишь развитие нанотехнологий — детища нашего времени. На са­мом деле это не так. Не будем забывать, что Ленгмюр и Блод­жетт работали в компании «Дженерал электрик», которую интересовали в первую очередь практические результаты.

Блоджетт обнаружила, что цвет получаемых ею «слоеных пирогов» зависит как от химической природы молекул по­верхностно-активного вещества, так и от числа слоев. Она составила детальную цветовую шкалу, позволявшую легко определять толщину нанесенного покрытия без каких-либо измерений. А еще Блоджетт обнаружила, что при опреде­ленных условиях покрытие вообще практически не отражает падающий свет, пропуская более 99%. Оно не только само становится невидимым, но и делает идеально прозрачным стекло, на которое оно нанесено. «Просветленная оптика» — так это называется, илюди, профессионально занимающиеся фотографией, прекрасно знакомы с этим термином.

О создании «невидимого» стекла компания «Дженерал электрик» объявила в 1938 году, не вдаваясь в технические детали. Они стали известны из патента, полученного Блод­жетт в 1940 году. Наилучших результатов она добилась, когда наносила 44 (!) мономолекулярных слоя стеарата бария на поверхность стекла.

Не вина Блоджетт, что эти исследования были остановлены. Таково было решение компании, кроме того, в дело вмеша­лась Вторая мировая война. Блоджетт разрабатывала соста­вы, предотвращающие обледенение самолетов, и рецептуру дымовых смесей — она занималась тем же, чем занимался в те годы Ирвинг Ленгмюр.

Сейчас фамилия Блоджетт на слуху у всего научного со­общества, хотя склоняют ее часто как мужскую, не столько из-за мужского шовинизма (грешат этим иженщины), сколько из-за пренебрежения историей вопроса, историей всего. Ежегодно проводятся научные конференции, посвященные исключительно слоям Ленгмюра — Блоджетт. Сокращение ЛБ (LB) не нуждается в расшифровке в специальной лите­ратуре. Интерес к ним действительно резко возрос в эпоху нанотехнологий, ноя бы затруднился дать однозначный ответ на вопрос, что здесь причина, а что — следствие.

С помощью молекулярного конструктора Блоджетт на поверхности различных подложек получают тончайшие слои (вплоть до толщины в один атом) электропроводящих, полупроводниковых и магнитных веществ. Подвижные слои поверхностно-активных веществ армируют холестерином и другими соединениями, придавая им твердость, на их поверхность или внутрь вводят молекулы белков. В целом все это чрезвычайно напоминает — вы абсолютно правы! — мембраны клеток живых организмов.

Л Б-слои сами могут служить подложкой для образования и роста неорганических кристаллов. Похожим образом в живых организмах формируются кости, зубы, панцири, и мы, моде­лируя и воспроизводя Природу, сможем с помощью метода Блоджетт получить новые бионеорганические материалы (их иногда называют биокерамикой) для протезирования или иных технических целей.

Это — дело будущего, но уже сейчас ЛБ-слои используют для производства рентгеновских дифракционных решеток, газовых сенсоров, рабочих элементов так называемых перва-порационных мембран, позволяющих разделять небольшие по размеру молекулы различных веществ, наноразмерных диэлектрических покрытий и прослоек в электронных устрой­ствах и многого другого. Нанотехнологии в действии.

Тридцать статей и восемь патентов

За сорок лет своей научной деятельности Блоджетт опубли­ковала тридцать научных статей и получила восемь патентов. Несладко бы ей пришлось, работай она в наше время в инсти­туте Российской академии наук, где основным показателем научной эффективности сотрудника служит число статей, опубликованных в зарубежных журналах. А эта ее странная, если не сказать большего, манера оформлять патенты на свое имя! У нас так не делается, это не по понятиям. В конце концов, бог с ней с наукой, но авторским вознаграждением делиться надо. В состав авторов заявки должны быть непре­менно включены все помогавшие и способствовавшие, от заведующего лабораторией до директора института, а кроме того, руководство предприятия, на котором предполагается внедрение изобретения. В противном случае внедрение так и останется предполагаемым, ведь у руководства не будет личного стимула для инновации. Наши патенты — это «брат­ская могила», в которой теряется фамилия собственно автора изобретения, а иногда она и вовсе там не присутствует, если человек не может постоять за себя. При такой постановке дела научному сотруднику Блоджетт К. Б. назначили бы по результатам переаттестации самую низкую категорию оплаты труда, а при первом удобном случае спровадили бы на пенсию.

Но в «Дженерал электрик», судя по всему, в ходу была другая система оценки эффективности научной работы со­трудников. На пенсию Блоджетт все же вышла, в положенное время, и прожила еще почти двадцать лет в своем доме в Скенектади, городке, где она родилась и проработала всю жизнь. Замуж она так и не вышла и детей не завела. Един­ственный родной ей человек, брат Джордж, сгинул в начале 50-х годов в джунглях Коста-Рики, разбившись на пилотиру­емом им спортивном самолете. А в 1957 году ушел из жизни Ирвинг Ленгмюр.

По воспоминаниям современников, она была деятельной женщиной: играла в любительском театре, участвовала в разных гражданских и благотворительных мероприятиях, днем возилась в саду, по вечерам играла с друзьями в бридж, а по ночам наблюдала звезды в телескоп. Вот уж воистину, интеллигентному человеку никогда не бывает скучно, даже наедине с самим собой, он всегда найдет чем заняться.

Катарине Блоджетт повезло в жизни в том смысле, что она смогла реализовать свои способности. И в то же время ее судьба чем-то напоминает судьбу Агнесс Покелс, не так ли?

 

Доктор химических наук Генрих Эрлих

Химия и Жизнь №9 2011

новости vw-2

Карта сайта

9 tocek

Смотрим здeсь vw-1