У алхимиков Юпитера

На Юпитер я попал перед окончанием профтехучилища: обычная преддипломная практика — Не стоит, видимо, описывать путешествие туда. Кто не знает, как оно происходит?

Начну с того, что я очутился где-то на седьмом небе, а точнее — в атмосферной лаборатории тамошних химиков. Обыкновенное «летающее блюдце» с гектар размером. На нем намонтирована уйма установок синтеза. Реакторы всякие, трубопроводы, холодильники, компрессоры, пушки ионизирующих излучений. Словом, все как полагается — Снуют толпы лаборантов, техников, операторов. А командует парадом благообразное существо, чем-то смахивающее на нашего декана Михаила Давыдовича. Лицом, конечно. А вместо рук у него восьмерка симпатичных щупальцев.

Вхожу на «блюдце» и направляюсь прямо к Мих Даву (так его, оказывается, зовут наши ребята, работающие здесь, — сходство с деканом не одному мне в глаза бросилось). Представился ему, беседуем. Мимо с бешеной скоростью мчатся аммиачно-метановые турбулентные вихри. Далеко внизу тяжело плещется аммиачный океан. Крепкий морозец! Градусов девяносто ниже нуля Цельсия… На краях «блюдца» навалом лежат глыбы твердого аммиака, чуть подальше — бруски аммиачного глицина (так здесь называют одну из наших земных аминокислот, только атомы кислорода в ней заменены на группу NH).

— Обязанности ионизатора знакомы? — спросил Мих Дав. Я деловито кивнул.

— Вопросов нет?

— Пока нет.

— Ну, тогда принимайтесь за работу.

Манипуляторы перемешали глыбы аммиака и аммиачного глицина. Сверху все это посыпали ледяной крошкой — смесью аммиачных серина и аланина, потом спрессовали в увесистый ледяной кристалл. Мих Дав энергично махнул двумя верхними щупальцами — и я включил ионизирующую пушку. Поливаю кристалл гамма-квантами, только дымок легкий курится! И на глазах вся эта ледовая масса начинает оживать, пучиться, как тесто, пока не образовался живой аммиачный белок. Вот от него стали отрываться толстые колбаски. Шмякнувшись на транспортер, они тут же исчезали в пасти синтезатора. А с противоположного конца реактора — там, где бодро бежал конвейер, — уже соскакивали готовые изделия. Биороботы.

Мих Дав зычно скомандовал, и биороботы, построившись в колонну по два, вниз головой прыгали прямо в аммиачный океан.

— С ходу включаются в строительство подводных… то бишь подаммиачных городов, — пояснил Мих Дав, поймав мой вопрошающий взгляд.

Но, я чувствую, вы мне не очень верите. Думаете, все это фантастика чистой воды (или, по крайней мере, чистого аммиака). Вовсе нет. Во всяком случае, юпитерианская «технология» синтеза имеет под собой некоторую научную основу. В том смысле, что и у нас, на Земле, вполне возможны химические реакции при морозе градусов в восемьдесят — сто пятьдесят, а то и в двести с лишком.

 

Рифы и мели «ледяной химии»

Химические реакции при низких и сверхнизких температурах? До самого последнего времени ученые относились к этому крайне скептически. Вот цитата из солидной монографии: «Проведение синтезов при низких и сверхнизких температурах нецелесообразно из-за чрезвычайно малых скоростей реакций, обусловленных резким уменьшением фактора е− E/kT » (для очень любознательных: этот фактор еще называют «активационным множителем». Здесь Е — энергия активации, k — постоянная Больцмана, е — основание натуральных логарифмов, Т — абсолютная температура в градусах Кельвина. Этот множитель определяет способность молекул участвовать в химических реакциях).

Дело в том, что не все столкновения между молекулами приводят к химическому взаимодействию. Хорошо, если из миллиона молекул только сто или двести способны к взаимодействию. А способны те, которые обладают некоторым избытком энергии. Чтобы стать «эффективной», молекула должна сначала запастись энергией.

Как же увеличить долю «эффективных» молекул? Ответ прост: увеличь численное значение множителя е− E/kT . Например, повышением температуры. Кроме того, «ленивые» молекулы можно «подстегнуть» гамма-лучами, светом, рентгеном, электрическими разрядами. Однако эти способы представлялись бесперспективными для возбуждения реакций при низких и сверхнизких температурах, когда доля эффективных молекул ничтожно мала и почти все реагенты — твердые.

И все же в последние годы положение изменилось, интерес к «ледяным реакциям» возрос необычайно. Это связано с успехами химии так называемых стереорегулярных полимеров. Обычные полимеры состоят из цепей молекул, расположенных как попало. Структура таких полимеров при большом увеличении напоминает бурелом. Но может быть и иная картина: молекулы как бы сложены в штабели. При этом полимер приобретает удивительные свойства: по прочности не уступает стали, выдерживает «натиск» самых сильных кислот, не поддается большим температурам. Получить стереорегулярный полимер нелегко. В поисках наилучших условий синтеза экспериментаторы перебрали различные комбинации давлений, температур, катализаторов. И натолкнулись на поразительное явление: полимеры, синтезированные при низких температурах, приобретают очень ценное качество — стереоспецифичность. Это значит, что в цепи полимера регулярно повторяются не только одни и те же сочетания атомов, но даже их пространственная ориентация. Другими словами, молекулы не прост уложены в штабель, как бревна, но еще и каждое «бревно» по отношению к соседям занимает вполне определенное положение. В структуре такого полимера царит столь строгий порядок, что само собой напрашивается сравнение с инженерной конструкцией. Упорядоченность молекул в стереорегулярных полимерах лежит на пределе, за которым простирается уже область перехода неживой материи в живую. А это означает, что у нас появляется возможность вплотную подойти к синтезу, например, искусственных белков.

Стереорегулярными полимерами занята сейчас целая армия химиков. И вот уже результат: направленный синтез стереорегулярных полимеров позволил решить важнейшую химическую проблему века — получить поли-цис-изопреновый каучук, равный по свойствам или превосходящий натуральный продукт. Не лишне вспомнить, что попытки синтеза такого каучука предпринимались чуть ли не с середины XIX века.

 

Игла для сшивки полимеров

Может быть, вы слышали такой термин: радиолиз, радиационная полимеризация? Он появился несколько лет назад. Как явствует из самого названия, при этом виде полимеризации «сподогрев» частиц (их активизацию) производят электромагнитными квантами, ионизирующими излучениями. Что же происходит, когда вещество подвергают действию радиации? Гамма-кванты создают в веществе активный химический центр. И подобно игле, с огромной скоростью «прошивают» цепочку молекул. Полимерная молекула образуется «одним махом», без всяких побочных процессов.

Безотказная работа «иглы» требует точной ориентировки исходных молекул мономеров. Ведь при «сшивке» одновременно изменяется большое число химических связей. Например, расстояние между атомами углерода с двойной связью (С — С) увеличивается на две десятых ангстрема — в атомном мире довольно значительная величина. В полимере же это расстояние, наоборот, уменьшается на пол-ангстрема. Иными словами, а томно-молекулярная структура вещества как бы пульсирует, колышется. Поэтому «игле» нелегко попасть в нужное место цепи молекул. Они должны как-то помогать ей, чуть-чуть перемещаясь и поворачиваясь, «подставляя бока», так сказать.

Вот пример, иллюстрирующий трудность, с которой тут приходится сталкиваться. Представьте, что вы стрелок и вам необходимо одной пулей «прошить» длинный ряд мишеней — да так, чтобы пуля прошла через все «яблочки». Но вот беда: мишени не стоят строго «в затылок» друг другу, а натыканы в землю как попало. Вы растеряны, запрашиваете штаб — как быть? Приходит ответ: «Сейчас начнется землетрясение. Колебания почвы в какой-то момент выровняют мишени „в затылок“. Значит, и „яблочки“ на долю секунды окажутся на одной прямой. Уловите этот счастливый миг — и стреляйте».

К счастью, в замороженном веществе «мишени» как раз ориентированы строго геометрически. Хуже дело с «яблочками». Они несколько не совпадают. Нельзя ли их совместить? На первый взгляд кажется, что при низких температурах молекулы не расшевелить: они совершенно «застыли». Но исследования последних лет (методом ядерного магнитного резонанса) убедили ученых, что прежнее представление о жесткости, незыблемости структуры твердых тел неверно. Например, вращение метильных групп (СН3) в «замороженных» углеводородах обычно почти полностью «разморожено» уже при температуре жидкого азота — минус 196 градусов. То есть они могут вращаться. И это вращение молекул позволяет, «пуле» проскочить через все «яблочки».

Итак, в «замороженном» химическом веществе всегда есть внутренние молекулярные движения — той или иной частоты. И в тех случаях, когда скорость интересующей нас «ледяной» реакции близка или совпадает с частотой внутримолекулярных движений, «сшивка» молекул и атомов протекает без помех и с огромной скоростью. Лишь бы движения «иглы» совершались в такт с колебаниями молекул и химических связей. Или, по крайней мере, не опережали их.

Одновременно с радиолизом в твердой фазе могут идти всевозможные химические превращения, вызываемые действием гамма-квантов, быстрых электронов, нейтронов, протонов, альфа-частиц. Во всех случаях, когда первоначальные химические акты («сшивки») происходят под влиянием мощного кванта энергии, — рвутся определенные химические связи. Например, при радиолизе органических молекул в первую голову рушится связь углерод — водород (СН-связь). Этот акт служит толчком к началу полимеризации. Почему? Дело в том, что получивший свободу атом водорода вступает в реакцию с другими СН-связями. Вновь освободившиеся атомы водорода подхватывают «эстафету полимеризации». В итоге образуется полимер.

Все, о чем мы только что рассказали, как видите, мало поражает воображение. Нет здесь сенсационных, с обыденной точки зрения, открытий, немедленных применений на практике, дающих горы благ. Но что они будут — это несомненно. Синтетический натуральный каучук уже есть. А если позволить себе помечтать, то можно увидеть целые химические комбинаты, работающие на «ледяных реакциях». Располагаются они в… космосе, на околоземных орбитах. Здесь, в условиях естественного большого холода, и «сшиваются» всевозможные полимеры. Ни копоти, ни дыма, ни грохочущих транспортеров и каландров, пышущих жаром реакторов. В длинных, сверкающих чистотой залах в полной тишине идет работа ионизирующих излучений. В замороженных реагентах протекают сложные химические реакции. Кто знает, может быть, здесь будет твориться и живой белок, и синтетическая пища, и многое другое.

Вот, например, еще один важный факт: при облучении твердых полимеров два активированных соседа-радикала тоже начинают взаимодействовать друг с другом. Происходит поперечная «сшивка» нитей (цепей). Это радиационная вулканизация (по аналогии с вулканизацией каучука, где роль «иглы», сшивающей поперечные мостики, играют атомы серы). Такая «вулканизация» позволит получать жесткие изделия нужной формы — без дополнительной механической обработки — прямо в химическом реакторе. Вдумайтесь в это. Жесткие изделия нужной формы. Значит, отпадает необходимость в резании, шлифовке, обточке полимерных изделий. Станки, резцы, формы, прессы и т. п. — ничего этого не требуется. Вы открываете выходной лоток химического реактора — и получаете, допустим, шестеренку из пластмассы, детали насоса, каркас телевизора, холодильника. Да мало ли еще что… Вспомните фантастический эпизод на Юпитере. Там из «реактора синтеза» выбегали готовые «изделия» — роботы с заданными жесткими габаритами «тела».

«Ледяная химия» оказывает большую услугу и исследователям-теоретикам. Прежде всего, в борьбе с химическими «помехами», то есть вторичными, побочными реакциями. При облучении молекул на большом холоде большинство побочных реакций замораживается. Исследуемый процесс предстает глазу экспериментатора в чистом, неискаженном виде. А ведь раньше для этого требовалась уйма времени и сил. Недавно американским химикам удалось «заморозить» в кристаллической решетке метана даже такого «непоседу», как атом водорода, и «увидеть» первичный акт разрыва СН-связи. Правда, для этого им пришлось понизить температуру облучения твердого метина почти до абсолютного нуля.

Теперь в Институте химической физики Академии наук СССР начали выяснять принципиальный вопрос: как строение самой молекулы органического вещества влияет на эффективность радиолиза? Установлена любопытная закономерность: молекулы, у которых граница спектра поглощения наиболее сдвинута в сторону длинных волн, хуже поддаются радиации. Пользуясь этим правилом, химики могут заранее сказать, что парафиновые углеводороды в 20–30 раз более «восприимчивы» к радиации, нежели ароматические молекулы (типа бензола). В свою очередь, углеводороды-терфиниды в 10–20 раз «устойчивее» бензола. Имеет ли все это какое-либо практическое значение? Имеет, и большое. Открывается возможность тонко регулировать синтез химических продуктов. Заранее можно будет знать, какой углеводород, в каком количестве и какими квантами надо обработать, чтобы синтезировать с наименьшими затратами требуемый полимер или группу полимеров.

Досрочно завершив практику на Юпитере и тепло распрощавшись с Мих Давом, я вернулся на околоземной химический комбинат «Космохимия». Здесь, вокруг центрального тороида, где расположились цеха синтеза, плавают в невесомости десятки громадных цистерн. В них при температуре почти абсолютного нуля хранятся радикалы — набор всех мыслимых видов. Целые «летающие озера» свободных радикалов!

— Вот тебе зачетный синтез, — без предисловий сказал мне заведующий лабораторией искусственного белка. — Сделай-ка пару телячьих бифштексов.

Телятина так телятина… Я быстро прикинул в уме состав животного белка, набросал схему реакции и последовательность вступления в «работу» свободных радикалов. Раз-два! Входное устройство электронной машины проглотило программу. Щелчок!.. Начался синтез. Слежу за приборами. С интервалом в миллисекунду из цистерн подаются соответствующие радикалы. Где-то в недрах реактора идет невидимая работа — Радикалы и функциональные группы в бешеном коловращении сцепляются друг с другом, закручиваются в спирали, кольца и цепи. Вот загорелся зеленый огонек на выходном блоке. Тотчас откидывается специальный лоток. Готово! Вижу две нежно-розовые пластины. Кладу их на заранее подготовленную сковородку, включаю архаическую плитку. Распространяется аппетитный запах.

— Пробуй, — коротко предлагает мне завлаб, когда я доложил о выполнении задания.

С некоторой опаской подношу ко рту горячий бифштекс. Хоть и сам синтезировал, а вдруг не то… Храбро откусываю крохотный кусочек, затаив дыхание, жую. Нет, как будто ничего.

— Ну, как? — улыбается заведующий, заметив на моем лице выражение удовольствия. — Давайте зачетную книжку.

Исследования в области «ледяных» реакций с большим размахом проводятся сейчас во многих странах мира. И не беда, что громких открытий пока не слышно. Не все, что делается в науке, дает ощутимые результаты сегодня же или на следующее утро. Но что они будут — это несомненно. Мы еще увидим расцвет «ледяной» химии и будем пользоваться ее плодами.