Читать книгу Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий - Генрих Эрлих - Страница 3

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 1×1 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.