Когда смотришь на здание химии сегодня, то невольно бросается в глаза: сколько же новых этажей и пристроек, переходов и комнат появилось в нем! Сколько химий — самых разных — рождается на наших глазах! Пожалуй, никогда еще слово «химия» не было таким емким.

В то же время кое-где убираются капитальные, казалось бы, перегородки, рушатся когда-то незыблемые стены.

Органика и неорганика, например, — между ними сейчас уже нет такой четкой, безоговорочной грани.

Открываются все новые и новые соединения, новые типы химических связей. За сложными формулами, в которых неспециалисту очень трудно разобраться, нередко скрываются удивительные перспективы для практики.

Химия делает такие открытия, что иногда кажется непонятным, почему их не сделали раньше? Ведь благодарный материал вроде бы в изобилии поставляет природа. В действительности, если вести хронологию от истоков, то они уводят довольно далеко от сегодняшних дней.

Сначала придется сказать несколько слов не о будущем, а о прошлом.

«Органическая химия может в настоящее время кого угодно свести с ума, Она представляется дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть».

Слова эти, написанные одним из известных химиков XIX века, проникнуты черным пессимизмом.

Органическая молекула казалась химикам того времени столь сложной постройкой, что разгадать ее секреты они даже и не помышляли.

Как располагаются в ней атомы? Как они ведут себя, встречаясь с другими атомно-молекулярными постройками? Все было для химиков действительно дремучим лесом.

Свет забрезжил лишь тогда, когда появилась теория химического строения. Начали вырисовываться основные законы, повинуясь которым и происходят соединения атомов, возникают сложные молекулы.

Непонятое раньше сразу получило объяснение. Химия вооружилась путеводителем, указавшим дорогу в дебрях.

Теория предсказывала возможность получения нового вещества. Практика создавала его. Полный триумф! Впервые химик стал архитектором мира молекул. Он уже не шел вслепую. Он смог составить план, прежде чем возводить постройку.

Дальнейшее известно. Меньше чем за столетие, прошедшее с той поры, органический синтез вырвался на широчайший простор. Одних только искусственных химических построек появилось великое множество. Каждый день в лабораториях мира создается полторы сотни новых веществ, — утверждает статистика. Каждый день! Сколько же в год, сколько за годы? Миллионы!

Если так пойдет и дальше, то природное отступит перед синтетическим.

Что ж, оправдаются предсказания тех, кто одевает будущее человечество в искусственную одежду, поселяет его в дома из искусственных стройматериалов и потчует искусственной пищей.

Что ж, если и лишится когда-нибудь человек всего, что дает ему природа, он создаст свою природу, вероятно, даже лучшую. Ведь, в сущности, многие планы грядущей жизни в космосе имеют химическую основу во всем — от сооружений внеземных поселков до получения кислорода, воды и пищи лабораторным путем.

Прокладывая дорогу химику, теория не довольствовалась тем, что было открыто ею на первых порах. Вскоре стала ясной удивительная сложность микроархитектуры вещества.

Молекулы создаются, живут и действуют в пространстве. Пространственное расположение атомов строго определено. Из одного и того же количества одних и тех же атомов природа возводит разные здания. Раньше этого не знали, а петому не могли разгадать многие загадки.

Самое незначительное различие — и вещество уже получается иным. Достаточно одному атому оказаться не на месте, и молекула уже не та.

Такая «игра природы» отнюдь не всегда безобидна. В химии живого, например, это имеет наиважнейшее значение. Живой организм поразительно чувствителен к тому, как расположены атомы в его молекулах. Стоит чуточку измениться кислородно-водородно-углеродной постройке — и вместо одного вида сахара перед нами другой. Один крайне нужен человеку и животным, другой для них непригоден.

И уж конечно, создавая новые вещества, химики должны были теперь считаться с тончайшими особенностями пространственной структуры будущих молекул. Различия, о которых не подозревали раньше, ярко и отчетливо выступили на первый план. Это понятно: молекула трехмерна, ее изучать должна была бы с геометрической точки зрения не планиметрия, а стереометрия. Потому и появилась стереохимия, «пространственная» химия, и она стала компасом для синтеза новых соединений.

Направленное получение стереоизомеров — нужных нам разновидностей одного и того же молекулярного здания — вот едва ли не генеральная задача в создании второй природы теперь, во второй половине XX века.

Всего две разновидности атомов в углеводородных соединениях — углерод и водород. Чем больше «кирпичиков» в постройке, тем больше возможных вариантов-изомеров. Их может оказаться сотни тысяч, миллионы и даже триллионы. Когда соединение еще более сложное, как у белков, например, то изомерия так велика, что может быть выражена только очень большими числами. Здесь приходится прибегать уже к степеням.

А сколько все же получается изомеров? Оказывается, и показатель-то степени будет не двух- и не трех-, а четырехзначный.

Химик — архитектор своеобразный, он «кирпичиков» своих не видит и о здании может судить, лишь когда оно уже готово, когда реакция уже завершена. Он может только управлять ходом превращений, меняя те или иные условия, разрушая и образуя вновь химические связи. Добавим к этому, что и расположение атомов в молекулах, увы, совсем уж не просто. Будь бы иначе — умей мы получать именно тот стереоизомер, какой нужен, мы давно бы уже имели сахар из угля и воды.

Уже полученные стереоизомеры позволяют говорить об открытии новых резервов мира искусственных веществ. Чем дальше, тем их будет больше.

Для такой уверенности есть и иные основания. Они связаны с еще более глубоким проникновением в самые сокровенные секреты материи. Тут химия встречается с физикой, и надо говорить о всевластии не только химических, но и физических законов в недалеком будущем.

Знание структуры, хотя бы и самое глубокое, — далеко не всё. Если бы дело сводилось только к форме постройки, если бы молекулы походили на свои модели, которые иногда можно видеть на выставках или картинках, то задачи химического конструирования похожи были бы на любые другие инженерные задачи.

Но подлинная молекула не походит на сооружение из шариков и палочек, как не походит шарик на настоящий атом и как палочка не заменяет истинную химическую связь.

В дело вмешивается энергетика молекулы. В ней — атомы, состоящие из ядер и электронов, и потому проблема переводится не только на атомно-молекулярный, но и на ядерно-электронный уровень.

И ядра, и электроны, и группы атомов, возникающие либо распадающиеся в ходе реакции, — все эти «строительные детали» химии обладают энергией. При перестройках происходит своего рода энергетический обмен, происходят сложные, уже чисто энергетические процессы.

Исходные молекулы дают заготовки, из них собираются новые молекулы, в новых молекулах возникают опять-таки новые энергетические связи (я чуть было не сказал — химические, что было бы не так уж далеко от истины).

Именно энергия оказывается тем связующим звеном, которое удерживает детали в постройке. А энергия электронов и ядер находится уже в ведении физики, точнее — атомной физики. Ее можно подсчитать, и архитектура молекулы действительно становится похожей на инженерное сооружение, ибо поддается расчету.

Итак, воспользовавшись опытом физики и прибегнув к помощи математики, казалось бы, уже нетрудно вести синтез — во всяком случае, на бумаге. Возможности здесь открываются самые грандиозные.

Инженер-строитель, зная, чем располагает, проектирует будущее здание. Он может поступить и так: задавшись проектом, подобрать затем нужные для его исполнения материалы. Не сумеет ли химик сравняться с инженером, когда у него будут все данные для возведения молекулярной постройки?

Он ведь сумеет определить и размеры будущей молекулы, и прочность ее, и способность вступать в реакции. Короче говоря, в его распоряжении благодаря теории окажется полный химический паспорт будущего синтетического продукта.

Это ли не на грани фантастики? Даже не проводя никаких опытов, только вычисляя, химик-теоретик станет создавать фактически любое вещество. Более того, если он пойдет «с конца», руководствуясь свойствами будущего соединения, то на бумаге определит, какое для этого понадобится сырье и как его следует переработать.

Вы чувствуете, что здесь мы уже добрались до практики? Химический расчет мог бы стать путеводной звездой для химика-технолога. Блужданию в потемках, которое, увы, еще сопровождает поиски нового, пришел бы конец. Тогда-то химики обрели бы действительно полную власть над веществом.

— Но позвольте, — скажет каждый, кто хоть чуточку знаком с обыкновенной химией, той самой химией, которая буквально на наших глазах творит чудеса превращений, создает разнообразие форм и красок. Той самой химией, которая заставляет исследователя переживать в лаборатории волнующие минуты поиска неизведанного. — Позвольте!

«…Химик что-то кипятит, процеживает, помешивает, то и дело моет посуду, зажигает и тушит огонь под какими-то снадобьями, которые он варит в своей кухне.

Но химику не скучно. Даже когда в лаборатории нет никого, с кем он мог бы перемолвиться словом, он не один. Он ведет разговор с самым интересным, хотя и молчаливым собеседником — с природой, Он задает вопросы, а она отвечает, и отвечает только в том случае, если вопрос правильно поставлен…

Каждому понятно, что увлекает геолога, когда он разыскивает в горах прячущиеся от человеческих глаз руды. Снежные вершины над головой, темные пропасти под ногами — как тут не почувствовать себя лицом к лицу с природой!

Увлекательность работы химика, романтика химии не так бросается в глаза. Немного жидкости за стеклом колбы или нежный осадок кристаллов в пробирке — это не горный пейзаж, поражающий воображение, не ширь океана, не усеянное звездами ночное небо. Но химик видит и здесь природу во всем ее величии, во всей ее мощи. Он знает: в одной капле заключена целая Вселенная, бесчисленные миры атомов.

Краски, звуки, глина, мрамор принимают такие формы, образуют такие сочетания, какие мог создать лишь человеческий разум. Мы называем все это словом «творчество». И это слово одинаково подходит и к труду резчика по дереву, и к труду скульптора, и к тому, чем живет музыкант, и к тому, что заставляет химика проводить долгие часы в лаборатории».

Так писал М. Ильин, сам инженер-химик и писатель, о работе химика.

— Позвольте, — скажет каждый, кто пусть в маленькой школьной лаборатории на уроке химии хоть на минутку становился экспериментатором, творцом нового, — как же с опытом? Если все будет происходить на бумаге, то во что же превратится искусство химика?

Да, именно искусство! Писал же известный химик-органик Р. Вудворд: «Органический синтез увлекателен, полон приключений и опасностей, он часто требует высокого искусства». Так неужели химическая лаборатория будущего превратится в вычислительное бюро? Где же тут романтика поиска, «приключения и опасности»?

Колбы и пробирки потеснятся, чтобы дать место электронно-вычислительным машинам, интуицию и чутье заменит строгий расчет. Не через одни лишь бесчисленные опыты, а и через математические формулы и расчеты будет идти дорога к новому веществу…

Ответ: нет, до такой степени математизации химии дело, вероятно, никогда не дойдет. Опыт проверяет теорию, только сравнение с ним и дает уверенность, что описанное математикой соответствует истине.

Потому нельзя скидывать со счетов тот опытный багаж, который уже накоплен химией. Наоборот, он будет еще расти. Факты будут и впредь давать пищу теории.

Кстати, именно опыты не раз позволяли химикам сделать ряд выдающихся открытий.

О периодической системе нечего и говорить. Она возникла из обобщения огромного фактического материала. Практика дала примеры и иного рода.

Когда пытались улавливать закономерности в строении какой-либо группы веществ, то нередко встречались с отклонениями. Тогда теория приходила на помощь, объясняя причину непонятного поведения молекул. И подобно тому, как Д. И. Менделеев предсказал неизвестные элементы и описал их свойства, так химики-органики предугадали кое-какие новые соединения, новые реакции. Но это удалось сделать, лишь глубже проникнув в существо атомно-молекулярной архитектуры.

В химии будущего счастливо объединятся теория и опыт. За опытом по-прежнему останется роль неустанного накопителя фактов, теория возьмет на себя объяснение, обобщение, вывод закономерностей. Органический синтез из науки чисто опытной станет превращаться в науку все более точную.

В то же время простор для искусства безусловно сохранится. Владея расчетом, химик сможет возводить еще более изящные молекулярные сооружения и проводить более эффектные реакции.

Впрочем, к чему, спрашивается, красота, если в конечном счете формулу получит производственник, которому важно совсем другое?

Здесь мы подходим к еще одной стороне химического творчества — его связи с жизнью.

Человек настоящего, а будущего тем более, стремится к красоте во всем. Он хочет красиво одеваться, окружить себя красивыми вещами, работать в красивой обстановке. Недаром родилась техническая эстетика, задачи которой сочетать удобство, целесообразность и красоту на производстве.

Химия призвана помочь искусству и эстетике. Она позволяет воплотить самые смелые и неожиданные инженерные замыслы. Она дает большую свободу в выборе формы и цвета. Химические волокна и пластмассы уже меняют внешний вид многого, что нас окружает, включая и облик городов.

А заводы? Само понятие современной архитектуры уже включает в себя «химический элемент». Что-то от химии, от арсенала ее индустрии, в высоких башнях, ажурных переплетах труб, шарах и колоннах… Невольно вспоминается здание Атомиума на Международной выставке в Брюсселе, который имел вид кристаллической решетки молекулы железа, увеличенной в 165 миллиардов раз.

В первую очередь химизация архитектуры относится к заводам самой химии. Они как бы перекидывают мостик к промышленному пейзажу будущего, вносят необычное, которое воспринимается порой как дело рук разумных существ какого-то иного мира. Вероятно, такие формы постепенно разовьются и дальше.

Фантастические рисунки художников переносят нас в обстановку грядущей эпохи, и воплотятся они наяву не без участия химии. Химия обеспечит архитектора материалами. Химия, быть может, подскажет ему новые сочетания линий и красок, новые формы. Когда развернется строительство в космосе, то «небесные архитекторы» смогут кое-что позаимствовать из опыта молекулярных построек природы и химии.

Часто, создавая новое вещество, идут поначалу длинным и сложным путем. Но бывает и так, что сама структурная формула подсказывает возможность усовершенствовать, упростить синтез. Рассматривая ее как постройку, удается подметить те лишние звенья, которые можно устранить, придав сооружению простоту, законченность и стройность. Отсюда и сокращение хода синтеза — результат для практики немаловажный.

И выяснилось, что природа, ведя свой синтез — в растениях например, — тоже строит по принципу наибольшего совершенства молекулярных форм. За многие миллиарды лет она отточила свое мастерство химика — архитектора молекул.

Человек, соединив свои разум, фантазию и изобретательность с математическими способностями электронной машины, будет свободно конструировать новые соединения.

Без помощи машинной математики химия уже не сможет обойтись. Слишком сложными получаются уравнения даже для самых простых молекул, слишком велик объем вычислений даже для самых простых реакций.

Обычно приводится такой любопытный пример. Чтобы провести расчеты для атома урана, понадобилось бы такое количество бумаги, на изготовление которой не хватило бы сырья во всей Солнечной системе!

Поэтому, с одной стороны, пользуются приближенными методами. А с другой стороны, прогресс электронно-вычислительной техники и математики вселяет новые надежды. Совершенно очевидно, что в будущем такая связь химии и счетно-решающих устройств станет основой для движения вперед.

Математика сказала свое слово, она внесла в химию свежую струю, помогла привлечь новейшую физику для объяснения многих «каверз» органики. Теперь «приключения и опасности», а значит, и искусство органического синтеза неразрывно связаны с ультрамикроструктурой вещества. Пришлось заглянуть в самые глубочайшие недра микромира, куда раньше химики не заглядывали.

Это — уже настоящее. Машина получает сведения о свойствах атомов разных сортов. Всего несколько секунд — и она выдает ответ, предсказывая, какие вещества и с какими свойствами можно из заданных атомов создать!

Пока что машина-химик имеет дело лишь с несколькими видами атомного сырья, но и тут экономятся годы человеческого труда. Пока что она предсказывает вещества, но ведь она сможет и конструировать их по заданным ей, нужным нам свойствам, скажет, из каких атомов и как синтезировать.

Сюда надо добавить еще и физику: то, что происходит с атомами и молекулами, это и в ее ведении.

Ход реакции физика вместе с химией опишет математическим языком. Химические формулы будут выражены математически. А отсюда уже один шаг до электронной автоматики.

Математика моделирует великое множество самых различных явлений — от движения спутников до какого-либо заводского процесса.

Техника умеет создавать «электрическую картину» многих явлений, преобразуя изменения разных величин в разные электрические токи.

Она может создавать и «электрические модели» различных процессов. На языке математики многие не похожие друг на друга явления описываются совершенно одинаково.

Вместо «настоящего» явления, скажем, действия сил на летящую ракету, составляется электрическая цепь, где токи, напряжения и другие величины, с какими имеет дело электротехника, заменят определенные силы, скорости, нагрузки. То и другое явления описываются совершенно одинаковыми формулами.

А для математики безразлично, что именно мы решаем. Формулы-то ведь одни и те же. Поэтому по изменению электрических величин можно судить о других, их «заменителях», о том, что делается с ракетой, когда меняются условия полета.

Как, например, узнать, что сделать, чтобы точно выдержать заданный режим — температуру, давление, плотность? Меняются одни величины, какими же будут другие? Опять уравнение, и языком математики можно описать технологические процессы — хотя бы получения материала. И электромодель дает ответ с поразительной быстротой.

Перебрав все варианты, машина остановится на наилучшем. Она подскажет, как устроить химический реактор, как наладить его работу.

Какую же, в конце концов, ставит цель это вторжение математики и физики в химию?

Проверяя себя опытом, теория должна добыть как можно больше сведений о строении молекул. Она должна выяснить, какая существует связь между молекулярной архитектурой и свойствами самих молекул — физическими, химическими, биологическими. В далекой перспективе физика, химия, биология должны вместе нарисовать единую картину мира.

Однако молекул — и тех, что уже созданы, и тех, какие еще создадут, — фактически бесконечное множество. Если каждую из них изучать отдельно, работа окажется невыполнимой. Но для соединений удастся, вероятно, построить какую-то классификацию, установить какой-то порядок, систему. Тогда и появится возможность разобраться в безумной сложности органики и предсказать, какие новые ее детища могут появиться.

Уже сейчас раздвинулись рамки «синтетического» творчества. А потом они раздвинутся еще шире. Будут создаваться разнообразные материалы с наперед заданными свойствами, какие потребуются людям.

Творец новых веществ, химия прокладывает дорогу к неведомым сейчас тайникам превращений. Раскрываются секреты химических реакций, механизмов химических связей и всего того, что происходит с молекулами, атомами, группами атомов, ионами, электронами. И открытия, уже сделанные сегодня, прокладывают пути в будущее иной раз неожиданные и очень важные для химической практики завтрашнего дня.

Мы привыкли считать, что молекулы состоят из атомов. Но возможно ли, чтобы не атомы, а целые молекулы или ионы послужили стройматериалом тоже для молекулярного здания, только более сложной кладки?

Оказалось, что в природе существует множество таких сложных построек — комплексов. В центре — атом или ион, комплексообразователь. Это может быть и металл, и почти любой из элементов периодической системы. Вокруг него находятся связанные с ним группы атомов или ионы. Это — лиганды. Они могут располагаться в вершинах невидимых многоугольников или многогранников — квадрата или тетраэдра, куба или октаэдра и других. Связи от центрального атома могут расходиться как клешни краба или щупальца осьминога.

К комплексам неприменимы обычные представления о химических связях. Поэтому говорят, что они — настоящее чудо химического мира. И в чем тут дело, какие силы удерживают лиганды вокруг комплексообразователи, до конца не выяснено.

«Комплексное соединение — очень сложное «содружество», в нем каждый из «союзников» испытывает влияние своего соседа… Все составные части комплекса перестраиваются, приспосабливаясь к совместному существованию… Комбинируя атомы металлов с разными атомами, нонами, молекулами, способными выступать в роли лигандов, можно получать необычные, иногда очень денные вещества, и число таких комбинаций может быть как угодно большим», — пишет член-корреспондент Академии наук УССР К. Яцимирский.

Комплексы мы найдем в солях морской воды и минералах, в крови и хлорофилле — в природе живой и неживой. Более того, усложненные молекулы — комплексы — неизбежный спутник множества реакций. Можно сказать, что и мы построены из комплексов и с комплексами имеем дело на каждом шагу.

Стоит заменить какую-либо из частей, его образующих, и резко меняются свойства. Нерастворимое становится растворимым, появляется другая окраска, меняются электрические и магнитные свойства. Потому-то, имея дело с комплексами, легко получать совершенно необычные вещества.

Связывая в комплекс ионы, можно удалить соли и из жесткой воды сделать мягкую. Комплексные соединения — иониты — легко притягивают и задерживают и золото из морской воды, и любой другой драгоценный металл, где бы он ни находился. Чистый уран стали извлекать из руд именно с помощью комплексов. Мы не познакомились бы ни с редкоземельными, ни с трансурановыми элементами, не приди нам на подмогу комплексы.

Теперь — мостик в будущее. Где химия комплексов найдет себе место? Всюду, где будут добывать рассеянные, редкие элементы. Полем деятельности для нее станут океан и земные недра.

Но это далеко не все. Она уже сейчас дает самые разные и притом необыкновенно полезные вещества — от антистарителей для полимеров до катализаторов, от присадок к бензину против детонации до консервантов, сохраняющих масло, фрукты, мясо и даже кровь. Среди комплексов — наилучшие красители, яркие и стойкие. И, конечно, комплексы найдут широкое применение в малой, бытовой химии и в медицине. Они способны, например, удалять из организма сильнейшие яды. Комплексы станут орудием тонкого химического анализа.

Из газа этилена, не прибегая к сильному нагреву и давлениям — этим обычным орудиям химиков, заставляющим молекулы вступать в реакции, можно получить твердый полиэтилен. Такое удивительное превращение происходит в присутствии катализатора-комплекса. Кто знает, быть может, среди комплексов найдутся ускорители и для других реакций полимеризации?

Оказалось, что в многообразном мире всевозможных искусственных соединений существуют удивительные молекулярные постройки без химических связей.

Впервые, впрочем, о них узнали полтора века назад, но как-то даже не поверили, что такое может быть. А факты накапливались. Наконец, уже специально синтезировали соединение, которого в природе никогда еще не встречали и которое построено иначе, чем все другие.

Оно образовалось не под действием обычных химических сил. Молекулы в нем соединены, как звенья цепочки. Можно все сооружение сделать из колец, причем сцеплять их по-разному, например закручивая и переплетая цепи в узлы.

Химия до сих пор такого строительного принципа не знала. Катенанами (от слова «катена» — цепь) назвали эти удивившие химиков соединения.

Здесь химия неожиданно нашла союзника в математике, в той ее области, которая казалась до сих пор весьма и весьма отвлеченной, далекой от практики, — в топологии.

Топологию интересует, каковы формы различных фигур, как они могут взаимно располагаться, как преобразовать их, не разрывая. Это похоже даже на фокус. И действительно, среди тех хитроумных геометрических построений, которыми занимается топология, часто встречаются математические головоломки. Из ленты, перекрутив ее и склеив концы, получают необыкновенное кольцо (кольцо Мебиуса). Если ленту теперь разрезать пополам вдоль, она не распадется на два кольца, а превратится в более узкое перекрученное кольцо. Если же разрезать ленту по трети ширины, получится два сцепленных кольца, подобно катенану. Кольца могут быть соединены и более сложно.

Катенаны — одно из самых молодых детищ химического синтеза. Их нужно искать в природе — они там должны быть. Их свойства нужно изучать, потому что необычное строение этих цепочек может очень многое дать и химии, и физике, и биологии.

Современная химия открывает новое даже там, где все хорошо известно, где ничего интересного, казалось бы, уже найти нельзя.

Элементы, для которых в таблице Д. И. Менделеева не было предусмотрено места и для них пришлось пристраивать к ней особую, нулевую группу. Элементы, которые не вступали ни в какие реакции. Элементы, которые за свое химическое упрямство получили прозвище инертных, или благородных. Кроме того, они на Земле еще и редкие.

Да и как могли они иметь иные свойства? Ведь внешние электронные оболочки и гелия, и аргона, и неона, и криптона, и ксенона, и радона — всех шести членов семейства инертных — полностью «укомплектованы» электронами. Поэтому они не могут ни отдавать свои электроны, ни забирать чужие.

Внешние оболочки их атомов устойчивы, и укоренилось мнение, что устойчивость эту ничем поколебать нельзя. На самом же деле она оказалась мифом.

Открыты были и гидраты аргона, криптона и ксенона — любопытные соединения. В них молекулы газов включены в кристаллическую решетку воды. Обошлось здесь без обычной химической связи.

Как-то, еще давно, вспомнили о фторе — самом агрессивном из элементов, — фторе, который соединяется решительно со всеми элементами и не может оставаться в одиночестве, повсюду выискивает себе компаньонов. Не сможет ли он расшевелить инертные атомы?

Изучая соединения фтора с платиной, химики случайно получили новое вещество. В его молекулы, кроме фтора и платины, вошел ксенон. Впервые инертность инертного была поколеблена. Произошло это несколько лет назад. Затем попытались соединить ксенон с одним фтором. И снова удача! А теперь появились окислы, фториды и другие соединения более тяжелых, инертных газов — не только ксенона, но и криптона, и радона.

Среди них — взрывчатка, она успешно может соперничать с любой другой, хотя сейчас еще слишком дорога. Среди них — будущие медицинские препараты. Наконец, новые соединения оказались очень удобны, чтобы в них сохранять и неустойчивый фтор, и устойчивый ксенон. Из такой «кладовой» легко добыть оба газа.

Легкие же газы — гелий и неон — остались пока непокоренными, и справиться с ними будет гораздо труднее. Труднее — не обязательно невозможно. Важно, что химия инертных родилась и сделала первый и, можно сказать, блестящий шаг.

Своим рождением она загадала и новые загадки.

С одной стороны, надо выяснить до конца, почему же столь странно повела себя нулевая группа, откуда взялись у нее скрытые резервы химических связей. С другой стороны, надо разобраться и в свойствах ее соседей — благородных платиновых металлов из восьмой группы. У них тоже малая химическая активность, и они тоже не зря называются благородными. А окиси галогенов (это уже седьмая группа) и кислородные соединения инертных газов оказались по свойствам похожими.

Нет ли здесь какой-либо закономерности, не понадобится ли в будущем перестроить частично периодическую систему? Пока говорят одно: инертным надо подыскать иное название, старое определенно не годится.

Сегодняшняя химия выясняет сложность того, что представлялось простым.

Реакция редко идет в одну стадию, мы же наблюдаем лишь ее начало и конец. Начало — исходные вещества, сырье. Конец — продукты, то, что намечалось получить, А все остальное, фактически все превращения, весь ход процесса, остается, говоря языком кинематографа, за кадром. Ибо от написанного на бумаге до реальности — дистанция огромного размера.

На самом деле в химическом реакторе разыгрывается «пьеса» из многих актов. Участники ее появляются и исчезают, они не доживают до финала. Но именно от них и зависит конечный результат. Если подобрать ключик, который повлияет па этих участников «спектакля» — на свободные радикалы, ионы, комплексы, — то мы получим еще одно могучее средство вмешательства в химический процесс.

Химия будущего заставит посмотреть и на сами химические процессы совершенно по-другому. Речь пойдет на этот раз не о том, что делается с молекулами, а об ином, не менее важном.

Прежде чем встретиться, молекулы должны пройти какой-то путь. Встреча порой происходит не один на один, а в присутствии третьего. Этот третий — катализатор. После встречи, после всех превращений, новые, уже преображенные молекулы должны уйти, покинуть «арену».

Главное — средняя часть «пьесы», в ней и заключен весь химизм, вся сущность происходящего. Чтобы реакция шла быстрее, чтобы обеспечить встречу молекул, которые не стоят на месте, а хаотически двигаются в потоке, и применяют нагрев, давление, используют катализаторы.

Но эта часть целиком зависит от первой и третьей. И выходит, что не только химические превращения, а и транспортировка молекул определяет успех не меньше, чем сам ход молекулярной встречи.

От явлений, разыгрывающихся в микромире, приходится поэтому переходить к событиям макроскопическим. Надо знать, что происходит с жидкостями, газами, твердыми частичками, когда они движутся с большими скоростями и смешиваются между собой.

Надо еще иметь в виду, что здесь участвует и тепло, которое выделяется либо поглощается. Особенно это трудно узнать и учесть, когда арена, где разыгрываются события, не колба и не пробирка, а огромный химический реактор.

В нем одновременно и непрерывно идут все три действия. Они поэтому переплетены между собой и влияют друг на друга. И финал будет намного успешнее, когда химики узнают все тонкости происходящего за стенками реактора.

Здесь скрыт ключ к поискам наилучшей технологии и, более того, к тому, как сами эти поиски ускорить.

Обычный путь от лаборатории до завода может занять десять-пятнадцать лет. Почему? Да потому, что, проводя испытания, мы постепенно переходим ко все более крупным масштабам — от крохотной пробирки до огромного заводского реактора.

Всякий раз нужно было бы создавать новый, увеличенный реактор, и всякий раз начинать сначала. Мы поэтому вынуждены менять всякий раз обстановку «спектакля». Движения, обмены массами и теплом, скорости, количества продуктов получаются иными.

Химия будущего сможет отказаться от этой постепенности, от дорогостоящих и затяжных опытных работ. Она проверит себя на малом — на модели, а математический расчет проделает все остальное.

Уже теперь получается выигрыш во времени, по крайней мере, раз в пять.

Колба-завод, а промежуток между ними заполняет математика. Это и есть химическая индустрия завтрашнего дня.

Мало получить новое вещество, его еще нужно сделать материалом. Нужно добиться, чтобы он обладал всеми качествами, какие потребует от него технолог. Ведь не полимер сам по себе, а изделие из него — вот конечная цель. Скорейший и лучший переход от лаборатории к заводу — одна из самых важных проблем химии сегодня.

Именно математизация даст ответ на волнующие химика-технолога вопросы. Электронная машина скажет, как перейти от завода в колбе к заводу настоящему. Она сразу выберет наивыгоднейшее решение, учтет требования «большого» и «малого», примирит физику и химию в одном компактном и высокоскоростном химическом реакторе.

Нельзя, конечно, представлять себе, что все обстоит чрезвычайно просто. Математизация химии только еще начинается, и помощь математики пока не так велика, как хотелось бы. Стоит чуть измениться условиям в реакторе, и перевод на язык формул уже осложняется. Одно дело, например, если катализатор лежит неподвижным слоем, и совсем другое, если он вскипает в газовой струе. Но и здесь можно быть уверенными, что, в конце концов, даже сложнейшие процессы поддадутся описанию.

Математика позволяет рассчитать, как лучше всего провести реакцию, какую избрать аппаратуру. Отсюда путь к автоматике на химическом заводе.

Автоматика призвана поддерживать на производстве что-либо постоянным — давление или температуру, определенный химический состав. И оказывается, для успешного хода реакции не всегда бывает выгодно сохранять все время один и тот же режим. Его нужно менять, чтобы превращения шли в наивыгоднейших условиях. Химикам нужна не просто автоматика, а программное управление, не простые автоматы, а саморегулирующиеся кибернетические устройства.

Кибернетика даст возможность проводить реакции при столь больших давлениях и скоростях, которые граничат со взрывом, при температурах в тысячи и даже десятки тысяч градусов и, наоборот, при сверхнизких температурах и высоком вакууме.

Поиски катализаторов перестанут походить на блуждание в потемках, как нередко бывало до сих пор. Тысячи опытов или иногда счастливый случай — все это отойдет в прошлое. Перебрав в своей электронной памяти свойства всех известных ей веществ, машина порекомендует ускоритель для любой реакции.

Вот почему так нужна будет кибернетика химии. Химия имеет дело с великим множеством соединений. Сведения о них — это целая библиотека, и, чтобы можно было быстро пользоваться ею, выход один — призвать на помощь электронный информатор.

Новое вторгается в жизнь властно и незаметно. К нему довольно быстро привыкаешь, столь быстро, что кажется — всегда было так. Химия вместе с физикой сделали привычным много непривычного, а невозможное — возможным.

Химия овладеет и высокими, и низкими температурами, научится использовать невидимки-радикалы и реакции, идущие в особых условиях, о каких и не подозревали раньше. Она овладеет высокими скоростями, с быстротой молнии перестраивая молекулярные постройки.

Она научится помогать производству, все больше вытесняя металлорежущие станки, все шире применяя химические методы обработки металла. Наконец, в списке ее достижений — уже не лабораторных, а промышленных — появятся новейшие, по заказу инженеров созданные, искусственные материалы множества назначений.

Металл можно сделать еще прочнее. Можно получить тончайшую проволоку, которая будет сверхпрочной. И можно, наконец, рассчитывать, что в будущем металлурги добьются многократного увеличения прочности, использовав все резервы, скрытые в атомно-молекулярной структуре вещества.

Перспективы открываются самые радужные: легчайшие, почти невесомые мосты, облегченные до предела машины, изящные сооружения из металла немыслимых сейчас размеров… В технике фактически произойдет переворот. Будет достигнута наибольшая прочность при наименьшем весе, а ведь этого и добиваются сейчас инженеры.

До сих пор материалы «второй природы» большей частью заменяли металлический сплав. Они позволяли экономить дефицитный материал, давали возможность обходиться без дорогих редких металлов. В будущем же создадут такой материал, который будет обладать невероятным сочетанием свойств, какого от металла не получишь.

Такое под силу только химикам.

Невиданные нагрузки. «Равнодушие» к температуре — от сильнейшей жары до холода абсолютного нуля. Стойкость к износу. И, наконец, неизменность, сохранность всех этих качеств в течение многих лет.

Могут быть и другие претензии к материалам. В одних случаях от них потребуется упругость, в других — жесткость. Может оказаться необходимым, чтобы материал хорошо проводил электрический ток, а может понадобиться идеальная изоляция. О легкости я здесь даже не упомянул. Ясно, как важно для каждой машины избавиться от лишнего веса.

Пластмассы можно легко формовать, потому что они при нагреве размягчаются, при охлаждении же твердеют, сохраняя прочность. Из них легко выдуть пленку.

Если армировать пластмассу — укрепить ее каркасом, ввести наполнитель, — она станет еще прочнее, не потеряв эластичности. Если вспенить пластмассу, получится полимерная пена, которая тоже очень прочна и, кроме того, чрезвычайно легка. И, наконец, если сделать то и другое, получится армированный пенопласт — еще более совершенный материал.

Воздав должное полимерам, нельзя забывать и об оборотной стороне медали. Всякую вещь надо оценивать всесторонне. Есть у полимеров такой недостаток, о котором часто не упоминают.

Свет и кислород — враги полимеров. Из-за них желтеют, становятся хрупкими и, в конце концов, рассыпаются изделия из пластмасс. Поэтому нужны специальные добавки, мешающие такой порче, а сырье для пластмасс должно быть очень чистым. Тогда, например, пленка из полихлорвинила годами сможет выдержать жаркое солнце и не побоится кислорода.

То, что происходит со временем с полимерами, подобно старению или болезни. И с тем и с другим борются лекарствами. Пытаются «лечить» и полимеры, для них ищут и находят «лекарства». Полимеры будущего обретут еще одно качество — долговечность.

Мы успели привыкнуть к великому разнообразию синтетики — и технической, и бытовой. Химические новинки появляются чуть ли не каждый день — и мы воспринимаем это как должное.

Сотни их созданы, десятки прочно вошли в обиход. Произошло это как-то незаметно, и теперь даже странно представить себе, что не было когда-то капрона и нейлона, силона и поролона, и прочая, и прочая, и прочая…

И думается, когда пытаешься заглянуть в Завтра: вот так же неощутимо и неотвратимо химия еще глубже пронижет грядущую жизнь. Быть может, даже и не стоит придумывать названия потомкам всех этих орлонов и силиконов: названий не хватит, пусть просто будет синтетический материал, какой кому нужен.

Творец живого — природа создала больше миллиона разных веществ всего из нескольких элементов с углеродом во главе. Из всех остальных ею были сделаны только десятки тысяч соединений. Десятки тысяч и миллион! Неужели здесь так быстро исчерпались возможности природы?

Или, быть может, мы просто не знаем еще всего? И действительно, появились новые факты. Неорганика, оказывается, сумела кое-где вклиниться в органику. Это произошло буквально на самых жизненно важных участках.

Казалось, с химическим царем живой природы — углеродом — другим элементам соревноваться трудно. Казалось, ему одному, одним углеродистым соединениям обязано все разнообразие жизни на нашей планете.

Но попробовали заменить углерод его родственником из царства неорганики — кремнием. Возникала новая химия, перекинувшая мост между двумя старыми, — кремнийорганика.

Она дала массу нужнейших веществ, которых так много, что их невозможно даже перечислить.

Созданные кремнийорганикой полимеры обладают удивительными свойствами. Они устойчивы и к теплу, и к холоду, не пропускают воду, не проводят электроток, не боятся ни кислот, ни щелочей, они соперничают по прочности со сталью. Среди них — пластики и каучук, смазки и топлива, катализаторы, антидетонаторы и полупроводники, лекарства и ядохимикаты.

Здесь, на стыке органики и неорганики, рождаются вещества, вбирающие в себя качества обеих групп. Для синтеза здесь открываются поистине необозримые перспективы. Все элементы в той или иной степени становятся родоначальниками целых семейств соединений.

Будущее обещает совмещение, казалось бы, несовместимого. Материал теплостойкий и эластичный в то же время — это невозможно для химии «старой». А такой полимер будет создан, и он оставит далеко позади не только природные, но и современные искусственные материалы.

Открыто полимерное строение и многих неорганических веществ.

Природные полимеры — это и алмаз (вероятно, алмазный кристалл — одна гигантская молекула). Это — расплавленная и охлажденная сера, которая образует тогда длинные молекулярные цепи. Да и кое-какие другие природные элементы — вроде углерода в форме графита, селена, мышьяка и сурьмы — тоже полимеры. Если же перейти к соединениям, то придется затронуть, пожалуй, всю массу земного шара, ибо ее образуют полимерные соединения кремния, алюминия, магния, кислорода и многих других, чуть ли не всех элементов периодической системы.

И уже родилось новое, неизвестное до сих пор вещество. Предсказана была, а затем и создана еще одна разновидность чистого углерода. Ее назвали карбином. Если алмаз — полимер с пространственным строением молекул, графит — с плоским строением, то карбин — линейный полимер. В природе его не нашли. Этот неорганический полимер — дело рук человека. Он оказался превосходным полупроводником и отличным материалом для фотоэлементов.

Для неорганики открытие полимерного строения многих веществ — шаг к созданию совершенно фантастического количества новых соединений с самыми неожиданными свойствами.

Синтез неорганический возьмет лучшее из мира углеродных молекул и придаст им качества, для органики недостижимые, что совершенно понятно. У углерода есть не только достоинства, но и недостатки. Как только воспользовались кремнием, появилось семейство теплостойких материалов.

Пластмасса горюча, к этому мы привыкли. Но ведь она может быть и негорючей! Цепи неорганических молекул должны составить основу жаростойкого полимерного материала. Тогда появятся обшивки для космических кораблей и самолетов, «вечные» автомобильные шины и жаростойкие химические реакторы.

Уже есть полимерный бесцементиый бетон. Уже есть неорганические волокна — стеклянные и базальтовые, и не только бетон, но и цемент и другие стройматериалы.

Теперь неорганическим синтезом заменяют природный. И самое тугоплавкое из всех нам известных веществ уже не природное, а синтетическое. Первенство по твердости держит уже не естественный алмаз, а искусственный боразон. Негорючий каучук без углерода, очень прочное волокно из соединений серы — вот первые новинки химии неорганических полимеров.

Фтороорганика означает стойкие против воды, огня, излучений, легкие и прочные материалы. А кроме того, это материалы для атомной и атомноракетной техники, техники полупроводниковой и лазерной.

Это и автомобиль будущего. О нем пишет американский ученый Дж. Саймонс. «Фтороорганические соединения смогут улучшить наши автомобили. Фтороуглеродное смазочное масло не надо заменять свежим. Жидкий фтороуглерод заменит антифриз и никогда не даст ржавчины. Шины из фтороуглеродных каучуков совершенно не будут портиться, и их не надо будет менять. Обивочная ткань на сиденьях будет огнеупорной и не боящейся пыли. Охлаждающей жидкостью из радиатора можно будет загасить пламя, если все же машина загорится. У автомобиля — фторопластовый корпус. II двигатель будет у него не поршневой, а газотурбинный. Вращать турбину будут пары фтороуглерода…»

Ученые выяснили, что бор может образовывать необычные соединения с водородом — не с целыми, а с дробными связями. И поэтому в молекуле диборана, например, один атом водорода связан сразу с двумя атомами бора, а бор имеет четыре связи вместо положенных ему, трехвалентному, трех.

Поиски лучших ракетных топлив привели к открытию и более сложных бороуглеродо-водородных построек — барена и необарена. Они замечательны своей необычной химической структурой. В молекуле барена, например, углерод оказался шестивалентным, что несказанно изумило химиков.

Барен и необарен — бороорганические соединения, первые из этого вновь открытого класса. Они чрезвычайно устойчивы, не боятся ни нагрева, ни сильных окислителей. В будущем они послужат основой для получения ряда веществ, применение которых полностью сейчас предугадать еще невозможно.

Говоря о металлоорганике, химики имеют в виду такие ее перспективы, как полимер легче воды, прозрачнее воздуха и прочнее стали. Им видится полимер, который может служить преобразователем энергии: он будет поглощать энергию космических лучей и превращать ее в тепло или свет.

Металлоорганика открыла новый, ранее неизвестный вид соединений: два углеродных цикла, две конструкции из атомов, расположенных в вершинах многоугольников, — и между ними атом металла. Металл соединяет их, образуя очень прочное вещество. Он зажат между циклами, как начинка в сандвиче между двумя ломтями хлеба. Свойства его неожиданны: марганцевый «бутерброд» — отличный антидетонатор, бутерброд с железом — ферроцен — очень прочен и послужил родоначальником новых красителей.

Сандвич-соединения представляют загадку для классической химии. В ферроцене, например, железо получается вроде бы десятивалентным! Видимо, здесь действуют какие-то пока незнакомые нам закономерности.

Требования к материалам будущего многогранны, и универсальную синтетику создать невозможно. Все же химия стремится к сочетанию качеств, которые природа не может объединить.

В дополнение к старому, давно всем известному стеклу химия, например, создаст новые, поистине чудо-стекла.

Уже есть совершенно небьющееся стекло. Оно так прочно, что даже тонкий стеклянный лист нельзя разбить сильным ударом. Тяжелый стальной шар отскочит от него как мячик.

Появится стекло прочнее металла — в стеклянной капсуле можно будет опуститься даже на дно глубочайшей океанской впадины, где давление более тысячи атмосфер.

А ситалл — новый материал, родственник стекла — выдерживает давление, которое не выдерживает сталь. К тому же он не боится кислот и высокой температуры, не растрескается, если его после нагрева опустить в воду.

Из стекла пока что не делают рельсы и станки, но лишь пока… Когда появится ковкое и пластичное стекло, то и это станет возможным.

Стекло с пленочным покрытием, защищающее от солнца, стекло с электропроводящей пленкой, отапливающее помещение…

Большое будущее также и у старого знакомого — кварцевого стекла, чрезвычайно прочного и пропускающего ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Еще одно применение стекла, о котором не подозревали даже фантасты. Предполагают, что из стекла удастся, возможно, изготовить светопроводы. По каналам из стекловолокна с отражающими стенками будут передавать изображения и даже свет, выработанный мощными генераторами — лазерами. Свет транспортируется, почти не ослабляясь и, конечно, не выходя наружу. Так можно будет со светостанций подавать освещение в дома и на заводы. Более того, свет подберут нужного состава и оттенка — скажем, дневной и вечерний — и централизованно доставят потребителям, которым тогда не понадобятся громоздкие осветительные электроприборы.

Действительность догнала, а во многом и перегнала фантастику об искусственных материалах. Непромокаемые, немнущиеся, сверхпрочные и так далее, и тому подобное… Если говорить об одежде, то теперь ее без химии уже трудно представить. Вот лишь несколько примеров — и известных, и малоизвестных.

Белые рубашки и платья, к которым не пристает грязь, — вместо стирки их надо только прополоскать в воде. Куртки и пальто из заменителей кожи легкие и удобные. И выходная и рабочая одежда, которая отлично защищает от холода. Одежда, в которой можно не бояться огня, воды, кислот и щелочей. Ткань, к которой не пристает никакая грязь, даже масло. Ткань из пустотелого химического волокна, которая согревает не хуже, чем ватная подкладка. Антимикробные костюмы для врачей и медсестер. Лечебное белье для больных. «Складные» плащи, косынки, куртки, береты, тренировочные и даже вечерние костюмы — все это умещается в кармане.

Ткани, окрашенные синтетическими красками, которые придают одежде яркий, нарядный вид. И, наконец, одежда специального назначения, для тех, кто работает на переднем крае науки — атомников, космонавтов, а в недалеком будущем — подводников (гидронавтов).

Химия, и только химия даст полимеры легкие, прочные, стойкие, эластичные, выдерживающие десятки тысяч градусов тепла и холод, близкий к абсолютному нулю; материалы магнитные и полупроводниковые, материалы, меняющие свои свойства.

Армированные пластики, которые будут прочнее металла и легче его по крайней мере в несколько раз, Полимеры-ионообменники, которые будут очищать любые вещества, извлекать ценные элементы из растворов. Полимеры, которые будут сверхпроводниками и при обычной температуре.

Полимерный каучук, полностью заменяющий натуральный, эластичный, но теплостойкий.

Химические волокна не хуже натуральных и дешевле их; волокна негорючие, негниющие, волокна-ионообменники и полупроводники. Пористые полимерные ткани. Химически обработанный, немнущийся хлопок.

Искусственные волокна, которые будут лучше природного асбеста и помогут пустить в оборот запасы бросового каменного сырья. Полимерные краски, стойкие и яркие; разноцветные волокна, которые не надо красить, они окрашены сами по себе, и цветная синтетика.

Химически обработанная негниющая и негорючая древесина.

Полимерные туманы и дымы, защищающие поля и сады от морозов.

Обивочные полимерные покрытия, не боящиеся пыли.

Полупроводники сейчас очень дороги, и они работают пока только в приборах и радиоэлектронной аппаратуре. Полупроводники сейчас — сверхчистые вещества, а добиться сверхвысокой чистоты — труднейшая задача.

Иное дело, если полупроводник полимерный. Более дешевый, потому что сырья для него пока вполне достаточно, потому что получать его оказалось бы проще и сделать из него удастся что угодно — и ткани, и пленки, и волокна, и порошки. Решилась бы проблема мощных преобразователей света и тепла в электроток.

Среди полимерных полупроводников есть и такие, которые могут служить катализаторами. Вот прекрасный материал для стенок химических реакторов! Но живая клетка — тоже реактор. И, создавая искусственные полимеры, мы тем самым делаем шаг к живой природе, учимся у нее и разгадываем ее загадки.

Это — полимеры самого ближайшего будущего. Это заказ, который химия начинает выполнять уже сегодня. И он показывает, что химия действительно сможет удовлетворить самого прихотливого заказчика.

Синтетическая ткань должна быть не только прочной, но и красивой. Синтетические волокна надо окрасить. Дело, казалось бы, несложное: заготовка для полимерных волокон представляет собой расплав, жидкость. Добавить туда краску — что может быть проще?

Однако… Жидкость может быть горячей — значит, краситель должен быть теплостойким. Волокно и краситель — оба детища химии — не должны вредить друг другу. И, наконец, ткань носят, а значит, стирают и гладят.

Если волокно выдерживает все это, должна выдержать и краска. От красителя требуется, кроме того, чтобы он не выцветал на свету и не линял.

Хотя созданы многие тысячи красителей, такого идеального сочетания качеств нет ни в одном. Далеко не для всех искусственных тканей подобраны подходящие красители.

На палитре у художника несколько чистых тонов. Из них он составляет все нужные ему оттенки. А сколько таких основных цветов должно быть в палитре химии? Пока их приходится создавать много.

Но обходятся же полиграфия и цветное кино всего тремя красками — желтой, голубой и пурпурной. Может быть, и для химических волокон хватит той же тройки?

«Если такую идею удастся осуществить, это будет настоящей революцией и в химии красителей, и, главное, в производстве полимерных изделий — красивых, долговечных», — говорит советский химик Е. П. Фокин.

Еще одна задача для создателей полимерного мира.

Сверхпроводящий полимер? Проводник, который проводит ток без потерь, и к тому же при комнатной температуре? Может ли существовать подобное чудо?

Ведь известно, что сверхпроводимость в металлах наступает лишь при сверхнизких температурах. Для электропередач это не годится — линию пришлось бы охлаждать жидким гелием, что на Земле, конечно, совершенно невозможно. Поддерживать глубокий холод удалось бы только в космосе, но там вряд ли понадобилось бы тянуть провода для передачи энергии.

Фантасты до сих пор мечтали лишь об аккумуляторах из сверхпроводников, где запасалась бы электроэнергия от космических гелиостанций. Такой энергосклад можно было бы переправлять на Землю, защитив его жидким гелием.

А теперь химия предлагает иное решение — пригодное для земных нужд. Теория предсказывает возможность создания полимерного сверхпроводящего материала. Он будет сверхпроводником при комнатной, а может быть, и более высокой температуре. Это — реальное будущее, но оно кажется нам теперь столь же удивительным, как мечта фантаста. Каким же оно видится ученым?

Передача энергии без потерь — совсем без потерь! Сверхмощные электромагниты. Электрические машины, работающие практически вечно. Новые совершенные ускорители частиц и счетно-вычислительные устройства. Это пока не слишком удивляет. А дальше?

Сверхпроводниковые электромагниты будут парить на своеобразной подушке, образованной магнитным полем. «Пассажиры и груз проносятся без трения над дорогой со сверхпроводящим покрытием, как на ковре-самолете; или представим себе катание на магнитных лыжах по сверхпроводящим склонам…» Такую картинку рисует американский физик профессор А. Литтл.

Очень многого ждет от химии космонавтика.

Вот заметка о настоящем; она рассказывает о том, что есть уже сегодня.

В пакете — порошок. По обеим сторонам его — горючие слои. Их поджигают, и материал начинает вспучиваться от тепла, и вырастает… палатка или домик.

Не наводит ли она на размышления о будущем — о домах, которые растут на наших глазах «сами по себе»?

Подобные дома могли бы найти применение при возведении построек на Луне. Конструкцию их пришлось бы сделать несколько иной. Заготовкой послужила бы ткань, пропитанная синтетической смолой. Она мягкая, и ее легко уложить в пакет. Если затем пустить раздувающий газ, то дом примет нужную форму, скажем, шара. А далее газообразный же катализатор заставит смолу превратиться в твердый полимер.

В перспективе — пластмассы, способные служить одновременно и конструкцией и горючим. Из них можно будет сооружать баки для двигателей космических кораблей.

Поиски новых полимеров и сплавов тем более нужны, что в космосе материал должен работать и при высоких и при сверхнизких температурах, в вакууме и невесомости.

Диапазон применений химических материалов обширен. Из специального пластика можно изготовить «липкую» обувь для космонавта и облицовку кабины космического корабля: человек сможет спокойно ходить, будучи невесомым.

Силиконовым полимерам не страшна радиация, они не теряют эластичность при температурах даже близких к абсолютному нулю и не боятся также температур высоких, не проводят электроток — вот, видимо, один из перспективных материалов для космического скафандра.

И еще одно: космонавтов надо обезопасить от «чужих» микробов, если они встретятся на незнакомых планетах. А это вполне вероятно — микробная жизнь вездесуща! Поэтому для изготовления одежды космонавтов будет использована бактерицидная ткань. В молекулы такой синтетики введут вещества, убивающие бактерии и грибки.

Если на какой-нибудь планете встретятся окислы азота, то космонавтам понадобятся противокислотные костюмы, ибо это ядовитые вещества, которые, соединяясь с водой, дают азотную кислоту.

Выдвигалась химическая гипотеза природы Марса. Не придает ли ему красноватый цвет двуокись азота? Не состоят ли белые шапки у полюсов из твердой четырехокиси? С потеплением края шапок превращаются в тяжелый рыжий газ, который ползет к экватору. Появляются и зеленые пятна из-за других окислов азота. Пыльные бури тоже могут быть обязаны своим происхождением азотным соединениям, которых в теплое время становится больше. И вот в такой необычной обстановке — если подобное предположение верно — можно было бы высадиться только в кислотоупорном скафандре.

Атмосферы планет-гигантов содержат аммиак и метан. Поэтому, чтобы защитить лабораторию-автомат, предназначенную для разведки такой планеты, понадобятся материалы, на которые не действовали бы агрессивные газы.

«Лунная архитектура — это зарытые в грунт жилые и рабочие помещения, подземные — вернее, подлунные — залы с серебристыми сводами, переходящими в неестественно тонкие колонны, легкие металлические зонты и навесы над входами и площадками для транспорта, огромные, сияющие на солнце спины аэростатических конструкций над строительными площадками и горными выработками, необычные формы оранжерей, тончайшие и высокие мачты радиосвязи».

Таким представляется облик лунных поселений архитекторам. Чтобы претворить их проекты в жизнь, от химиков потребуется, прежде всего, синтетический материал для куполов, армированные пластики для опор и легкие сплавы для навесов и мачт. Понадобится и новое остекление для оранжерей — пропускающее ультрафиолетовые лучи, стойкое против радиации и микрометеоритной бомбардировки.

Внутреннюю обшивку для подлунных помещений тоже устроят из надувных элементов. Такие конструкции удобно доставить на Луну, удобно и собрать из них станцию — если, конечно, пленки будут легкие, тонкие и прочные. Под надувными куполами люди смогут обходиться без скафандров. Если же все-таки метеорит его пробьет, то будет время перейти в другие этажи. Пробоину в куполе нетрудно заделать.

Вернемся из космоса на Землю.

«Бесспорно, люди в XXI веке будут одеты только в синтетические ткани, будут иметь обувь, изготовленную из искусственной кожи, и шубы из синтетического меха, будут окружены предметами, сделанными из искусственных материалов» — так пишет академик А. Н. Несмеянов.

Очень любопытно прикинуть, сможет ли природа обеспечить химию сырьем для создания «второй природы». Ведь уже примерно через четверть века полимерных материалов будут производить едва ли не меньше, чем стали, и потребности химии очень велики.

Но всего пяти, быть может, шести процентов добываемой сейчас нефти для этого вполне хватило бы. Да и химия завтра научится использовать нефть с большей выгодой, чем теперь. Если и не тонна на тонну, то, во всяком случае, больше половины ее сумеют превратить в полимеры.

К тому же разве одна нефть — сырье для «второй природы»? К ней надо добавить уголь, торф, природные газы. Сюда же добавится древесина и всевозможные отходы.

Уносятся в воздух, выливаются в воду, выкидываются, сжигаются, по всякому уничтожаются колоссальные ценности. Растранжириваются десятки, если не сотни миллионов рублей. Нет, химия будущего положит такому расточительству конец.

Химия войдет в каждое производство, даже далекое от химического, чтобы не дать пропасть появляющимся там отходам. Отходы, отбросы — само слово говорит, куда им была дорога. Была, а дальше не будет!

Ведь в них часто оказываются и ценнейшие редкие элементы, за которыми ныне охотятся с большим трудом. В них — драгоценные металлы, золото и серебро. В них — заготовки для удобрений, для пластиков, для стройматериалов. И притом все это, если прикинуть в масштабах страны, — не говоря уж целого мира! — выражается огромным тоннажем.

Цех химии подключится к фабрике или заводу, к теплоэлектроцентрали, превратив их в комбинат — химикометаллургический или энергохимический.

Сырье для химии поставляют и будут поставлять все земные оболочки, все стихии — земля, воздух, вода. Сырьем для нее станут и всевозможные горные породы, и зеленая масса растений, и магма глубочайших недр, и газы атмосферы.

Быть может, глубоко под землей находится настоящий рудный пояс, который обеспечит нас на многие века и медью, и цинком, и свинцом, и оловом, и другими элементами.

Быть может, из газов, скопившихся там, из вод, которым помогут выбраться на поверхность, станут извлекать нужные химикам вещества.

Атмосферного химического сырья хватит на необозримые времена. Азота в воздухе столько, что на каждый гектар поверхности Земли его приходится около тридцати миллионов тонн! Внушительны числа и для кислорода, и для некоторых редких газов, И недаром академик Ферсман говорил об атмосфере как грандиозном, практически неисчерпаемом источнике химического сырья.

Близок локоть, да не укусишь. Эта пословица как нельзя лучше приложима к океану. И, пожалуй, ничто так не привлекало воображение, как возможность добычи золота из морской воды. Блеск желтого металла виднелся многим в голубизне вод. В каждой капельке его растворено столько, что весь Мировой океан подарил бы каждому жителю Земли слиток в четыре тонны! И это число совершенно реально. Дело только за тем, чтобы найти дешевый способ извлечь близкое, да недоступное богатство.

До сих пор все попытки оставались неудачными. И вот, наконец, химия обещает в будущем верный путь. Ионообменные смолы — иониты — способны выловить из раствора ничтожно малые количества вещества, вплоть до последней молекулы, отсеять только то, что нам нужно, поймать неуловимое, затерянное среди бесчисленного множества молекул.

Водоросли и специально выведенные морские животные, жадно поглощающие золотые атомы, послужат «живой рудой». Но фантасты прошли мимо другого богатства, которое, пожалуй, даже дороже золота. Это редкие, рассеянные элементы, крайне нужные технике. Их, несомненно, станут извлекать из морской воды.

На каждого жителя Земли приходится почти по половине кубического километра морской воды. Вот что кроется за этим.

Шестьдесят тонн серебра, сто тонн тория и молибдена — тоже на душу населения! Можно добавить, что растворенных в Мировом океане солей хватило бы, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем сорокапятиметровой толщины. Пятьдесят тысяч триллионов тонн! Запасов хватит на многие века.

К тому же всего элементов в таблице Менделеева — без трансурановых, неустойчивых, — примерно вдвое больше, чем открыто в морской воде. Можно думать, что есть в ней и другая их половина, она только ускользала от химиков до сих пор. Просто здесь оказываются бессильными современные методы химического анализа. А так как чувствительность его все возрастает, то со временем найдутся в морской воде и остальные элементы. Даже если их опять-таки будет крайне мало, в пересчете на весь Мировой океан получится солидный результат.

Океан содержит во много раз больше элементов, чем все, вместе взятые, известные сейчас месторождения суши. Вот где поистине необозримое поле деятельности для химии будущего!

Постепенно опустошаются залежи полезных ископаемых в верхних «этажах» нашей планеты. Все дальше вглубь уходят нефтяные скважины и шахтные стволы. А в недалеком будущем геологам придется забираться в глубокие недра в поисках многих металлов и других нужных людям элементов.

Но как добыть то, что запрятано в десятках километров под поверхностью Земли? Ведь там невозможно устроить шахту или рудник, даже если работу поручить автоматам. Слишком сложно, слишком дорого и — что весьма существенно — ненадежно. Да и как поднимать со столь больших глубин многие тысячи кубометров породы?

Понадобится нечто принципиально иное, и его даст химия, которая поможет добывать из-под земли только полезное.

Пользуясь растворителями, она руду переведет в раствор; пользуясь электричеством, из раствора извлечет металл. Уголь она превратит в газ, некоторые минералы — в пар. А с жидкостью, газом и паром обращаться куда легче — их можно заставить подниматься по скважинам. Куда легче и переработать такое сырье.

Поглощать атомы только одного сорта могут некоторые бактерии. Они «выедают» серу — и появляются серные залежи, они накапливают и другие элементы. Они могут добывать золото из золотоносных пород. Возможно, что конкреции — куски железомарганцевой руды, в изобилии разбросанные по дну океанов, — тоже работа бактерий, Так почему бы не использовать их работу и не создать с помощью невидимок искусственные минеральные склады на глубинах, а бедные месторождения превратить в богатые?

Меньше недели нужно одной бактерии, чтобы потомство ее заняло объем, равный всему Мировому океану, — если все новорожденные остались бы в живых. Быть может, удастся вывести такие их виды, которые будут размножаться еще быстрее и, главное, еще лучше извлекать растворенные в воде элементы?

Да и не одни только бактерии, вероятно, смогут извлекать для нас химические богатства из воды. Этим займутся и морские животные, в чьих телах тоже накапливаются, причем избирательно, многие элементы. Есть среди них такие, в крови которых ванадия в миллиард раз больше, чем в морской воде. И уже есть питомники, где с квадратного метра получают полтораста килограммов этих животных — настоящей живой руды.

Металлургические, металлохимические, биохимические обогатительные фабрики заработают в недрах земли. И — никаких фабрик в обычном смысле слова, никаких машин, никаких перевозок и никаких отходов! Химия, физика, биология, геология вместе: для такого союза уже родилось новое слово — геотехнология, и ей предстоит атаковать недра.

* * *

Многого добьется химия еще до конца XX века. А что будет потом, каких новых успехов от нее можно ждать после 2000 года, сейчас трудно предвидеть. Скажу словами знаменитого французского химика Марселена Бертло: «Власть химии безгранична…» Власть, позволяющая людям творить вторую природу для людей.

 

ФАНТАСТЫ ПРЕДЛАГАЮТ…

Крутая спираль светится на солнце миллионами опалесцирующих стен из пластмассы, фарфоровыми ребрами каркасов из плавленого камня, креплениями из полированного металла. Каждый виток постепенно поднимается к центру, и на головокружительной высоте висят легкие мосты, балконы и выступы садов. Вертикальные ниши разделяют массивы зданий. И нет среди них ни одного, фасад которого не открыт полностью солнцу, ветрам, небу и звездам…

Это из фантастического романа И. Ефремова «Туманность Андромеды». Наверное, мечтает автор, когда-нибудь (допустим, в ХХХИ веке) люди увидят Землю с космической высоты вот такой.

…Вдоль тридцатых градусов широты в северном и южном полушариях протянулась непрерывная цепь городских поселений, сосредоточенных у берегов теплых морей, в зоне без зимы… К северу от северного жилого пояса простирается гигантская зона лугов и степей, где пасутся бесчисленные стада домашних животных. К югу (в северном полушарии) и к северу (в южном) были пояса сухих и жарких пустынь, ныне превращенных в сады. В зоне тропиков сосредоточено производство растительного питания и древесины, в тысячу раз более выгодное, чем в холодных климатических зонах…

Всю планету обвивает Спиральная Дорога, исполинскими мостами соединяющая через проливы все материки. Сотни тысяч людей могут быстро перенестись из жилой зоны в степную, полевую, горную, где нет постоянных городов, а лишь временные лагеря мастеров животноводства, посевов, лесной и горной промышленности. Полная автоматизация всех заводов и энергостанций сделала ненужным строительство при них городов и больших селений — там находятся лишь дома для немногих дежурных: наблюдателей, механиков и монтеров…

Кстати, о дорогах. Еще один вариант предлагают фантасты братья Стругацкие (для XXII века!).

Удивительные самодвижущиеся дороги… Их начали строить давно, и теперь они тянулись через многие города, образуя беспрерывную разветвленную материковую систему от Пиренеев до Тянь-Шаня и на юге через равнины Китая до Ханоя, а в Америке — от порта Юкон до Огненной Земли. Дороги эти (собственно, не дороги, а поток чего-то среднего между живым и неживым) не потребляют энергии и не боятся времени, будучи разрушенными, восстанавливаются сами, легко взбираются на горы и перебрасываются мостами через пропасти. Они будут существовать и двигаться вечно — до тех пор, пока светит Солнце и цел земной шар.

Большая Дорога текла шестью ровными серыми потоками, полосами, которые двигались с разными скоростями и отделялись барьерами. Скрип, шуршание, шелест… Дорога действительно ползла.

* * *

Интересно, какие идеи рождались у фантастов, мечтавших о новых сплавах и материалах.

Жюль Верн пользуется, например, в одном из своих романов необыкновенными сплавами — непроницаемым для тепла и, наоборот, с повышенной теплопроводностью. Герберт Уэллс придумал невесомый сплав, кэворит, защищающий от тяготения.

Очень заманчиво было бы создать такую диковинку! Забавный фокус с кусочком, который вырывается из рук и сам собой взлетает к потолку… Самолет из невесомого материала, которому ничего не стоит облететь даже вокруг земного шара… Или ковер-самолет (почти невесомый, иначе прощай, земной шар!), своего рода плот для воздушного океана, на котором можно парить без крыльев — разве это не увлекательный спорт?

Любопытны подобные «изобретения» фантастов, однако даже и наилегчайший сплав, будь бы он создан, проблему борьбы с тяжестью не решит. Вот если физики отыщут гипотетические гравитоны, «частицы тяготения», докажут, что они есть па самом деле, тогда, пожалуй, станет уместным говорить и о защитных экранах, и о невесомых летательных аппаратах, и о невесомых космических кораблях.

* * *

Обращаясь к веществам с необычайными свойствами, фантасты не прошли и мимо антипода невесомому «чуду» — материалу сверхтяжелому. Их крайне привлекала идея воспроизвести на Земле вещество звезды чудовищной плотности — «белого карлика» (ВК). Кусочек размером с наперсток, вес — тысячи, а то и миллионы тонн! Для природы-то ведь это не фантастика. Не попробовать ли посоревноваться с ней?

И воображение создает вещество, которое существует лишь в отдаленнейших краях Вселенной либо… совсем рядом с нами, где-то в глубинах нашей планеты. Правда, в недрах земных, а тем более в звездных, оно еще и нагрето. У фантастов же с БК искусственного происхождения вполне удобно обращаться.

А вот другой материал — «нейтрид» — необычайно большой плотности, невероятной прочности и инертности, устойчивый против всех и всяческих воздействий… Идеальный новый материал атомно-космического века…

А что он мог бы дать?

Вместо бетонных громадин атомных реакторов появились бы маленькие компактные установки. Нейтридная тонкая броня защитила бы даже от атомного взрыва. Нейтридовые резцы резали бы как масло любой самый твердый металл. Подземоход из нейтрида проник бы до центра Земли, а ракета пролетела бы через раскаленную атмосферу Солнца. Многие дерзкие проекты, которые упираются в отсутствие сверхпрочного вещества, получили бы путевку в жизнь.

* * *

Ассортимент материалов будет неполон, если не сказать о том, что приготовили фантасты для путешествий и освоения всех стихий.

В первую очередь, это сплавы, которые намного лучше современных.

Из сверхжароупорной стали с теплозащитной изоляцией строят подземный корабль, чтобы создать на большой глубине геотермическую электростанцию. Иначе не забраться на многие километры в недра Земли.

Из особо прочного сплава, способного выдержать огромные давления, изготовляют подводные корабли для путешествий в глубины Океана. В скафандре из прочнейшего материала можно выйти за борт лодки на дно.

Вот подводный поселок из какой-то прозрачной пластмассы. По своей необычайной твердости, легкости, кислото- и жаростойкости эта удивительная пластмасса превосходит все известные стали и сплавы металлов.

Одна крупинка «георастворителя» на кубометр воды — и водяная струя под сильным давлением разъедает почти мгновенно самую твердую горную породу. Даже через базальт можно легко продвигаться вглубь. Чтобы не было обвалов, с помощью той же химии, применяя сильный нагрев и высокие давления, сразу же вокруг шахтного ствола создают искусственную гранитную оболочку.

Путешественники-геонавты отправляются к центру Земли.

Минерализатор цементирует свод из размельченной горной породы, которую оставляет за собой подземоход. Он придает размельченной породе монолитность гранита. За подземоходом остаются своды, способные выдержать тяжесть гигантского столба земли.

«Синтезаторы» перерабатывают любую породу в воду и кислород для геонавтоз.

Кто, как не химия и металлургия, помогут освоить глубины Океана и недра Земли?

* * *

Самые необычайные идеи разбросаны на страницах фантастики, особенно ранней, когда горизонты новой химии и физики еще были скрыты далью времен.

Герои фантастических романов находят в природе не только новые, ранее неизвестные соединения, но и новые, нам незнакомые элементы. На Земле это едва ли возможно, поэтому поиски ведут в космосе, И на Венере обнаруживают «инфрарадий» — мощный источник энергии, и там же еще «ультразолото» — более стойкий, чем известный нам благородный желтый металл. На Луне, Марсе и астероидах находят даже неведомый элемент, помогающий преодолевать притяжение планет. Это, уж конечно, чистейшая фантастика…

* * *

Что предлагают фантасты для строительства в космосе?

Из полимерных материалов они возводят поселки на Венере и Марсе, строят лунные городки. Даже если для защиты от метеоритов и излучений помещают жилища в подлунье и маленький герметический мирок прячут в толще скал, все разно прибегают к помощи синтетики. Из нее делают прозрачные крыши оранжерей, купола обсерваторий, портативную мебель и много других бытовых вещей. Это могли бы отчасти взять уже из нашего обихода космонавты, ставшие первыми жителями иных миров.

А обитаемые спутники — от самых скромных, с экипажем в несколько человек, до настоящих городов в межпланетном пространстве, с многотысячным населением?

Из сверхпластиков, победителей в соревновании с металлами, конструируют внеземные станции. Из них делают скафандры, нужные и в открытом космосе, и на Луне, и на планетах. И ведь в самом деле, только химия будущего, пожалуй, способна дать материал для костюма, в котором одинаково безопасно и в чудовищной жаре ближайшего к Солнцу Меркурия, и в чудовищном холоде самого далекого Плутона.

Если же перенестись в будущее весьма отдаленное, лет на тысячу вперед, то вот, например, какие «космические» материалы упоминает фантаст И. Ефремов в романе «Туманность Андромеды».

Силиколл — прозрачный материал из волокнистых кремнийорганических соединений. Из него изготовлены шлемы скафандров звездолетчиков, исследующих неведомые планеты других звезд.

Силикобор — сплав карбидов бора и кремния — очень твердый и прозрачный материал. Из него сделали наблюдательные башенки, в которых звездолетчики могли находиться, выйдя из корабля.

Фантасты начала XX века редко пробовали предугадать успехи именно химической науки. Ведь ясно, что они располагали слишком малым для смелого полета воображения. Они могли только смутно догадываться, на какой простор выйдет химия, когда поиски нового развернутся полным ходом. Вот как один из них писал о химии будущего.

«Химия еще в XX веке овладела целым рядом тайн и секретов природы. Последующие века тоже не прошли бесследно для этой науки. Теперь нет такого материала и даже химического элемента, которые не могли бы быть искусственно изготовлены на наших заводах. Неорганизованные толпы молекул мы заставили работать по строгому плану…»

Так говорит путешественнику, который перенесся на тысячу лет вперед (на машине времени — у Уэллса были подражатели), житель грядущей эпохи.

Он рассказывает и о том, что люди поставили себе на службу и химическую кладовую атмосферы, и глубочайшие недра Земли, и недра атома.

Еще штрих из впечатлений путешественника. И то, о чем он пишет, не могло сбыться, если бы не вмешательство химии.

«…Комната, куда мы вошли, имела шесть симметрично расположенных стен из полупрозрачного, холодного (я провел рукой по его гладкой поверхности) камня, вдоль которых были расставлены в кажущемся беспорядке пять-шесть мягких кресел. В углах комнаты, прямо из-под пола, тоже сделанного из какого-то незнакомого мне материала, подымались стройные стволы пальм, сплетавшихся над нашими головами в роскошный купол из листьев. Сквозь ветви блистала небесная полуденная синева, и я готов был бы поклясться, что это самое настоящее небо, если бы сам не видел полчаса тому назад заходящее солнце.

Перед каждым креслом медленно раздвинулись плитки пола, и оттуда поднялись небольшие круглые колонки-столики из того же полупрозрачного вещества, что и окружающие нас стены. На столиках стояло несколько закрытых блюд и сосудов из серебристого металла, красиво перевитых между собою гибкими, шелковистыми прядями неизвестного мне растения. Тонкий, неуловимый запах, похожий на аромат жасмина, наполнял всю комнату.

Нежное дуновение, напоенное ароматом неведомых мне цветов, шевелило наши волосы, и мягкие переливы света, лившиеся точно из-под свода перевившихся над нами пальмовых листьев, дополняли общую картину нашего пиршества, создавая в делом изумительно гармоничное сочетание света, звуков, вкусов и запахов…»

Я невольно увлекся этой картинкой XXX века… Да-да, тридцатого! Роман о том, что будет через тысячу лет, писался довольно давно.

До появления химии, справедливо названной ныне новой, оставался еще немалый путь. И все же фантастом владело ощущение будущего могущества химии — настоящей повелительницы вещества.

Несомненно, рисуй автор подобное в наше время, он, вероятно, захотел бы удивлять гостей из XX века дарами какой-либо сверхсинтетики далекого Завтра.

То, что приоткрывается уже сейчас для будущего, не отдаленного вереницей веков, пожалуй, более удивительно, чем нарисованная когда-то картина.

И мы, а не далекие наши потомки, уже стали свидетелями расцвета химии, создавшей вторую природу, стали жителями века синтетики.

 

УЧЕНЫЕ МЕЧТАЮТ…

«Получение новых сложнейших синтетических веществ с заливными свойствами, которые будут конкурировать с неизмеримо более бедным ассортиментом природных, требует объединенных усилий химии, физики и многих других наук.

Мы часто смешиваем понятия «материал» и «вещество». Но вещество — это только сырье. Нужно уметь перерабатывать его з физические тела, служащие техническим потребностям, в материалы.

Тут задача физико-химической механики — науки о превращении веществ в материалы — состоит прежде всего в повышении прочности материалов. Все реальные твердые тела пронизаны множеством изъянов, дефектов в структуре. Предотвратив в технологических процессах возникновение дефектов, мы решим фантастическую задачу: получим, по существу, материалы того же химического состава, что и естественные, но с механической прочностью в десятки и сотни раз более высокой», — говорит академик П. А. Ребиндер.

* * *

Химия создает уже теперь целое семейство материалов, основа которых не углерод, а кремний. И вот что пишут об их будущем химики А. Колпаков и В. Лосев: «Кремнийорганическая химия очень молода: ей нет ещё и двадцати пяти лет. Широким фронтом идут химики в наступление на мир кремнийорганических соединений, таящих в себе возможности, о которых мы не имеем и смутного представления.

Материалы с еще более чудесными свойствами, какие будут получены в ближайшие десятилетия, позволят человеку еще полнее подчинить себе природу Земли, освоить космос. Нашему мысленному взору рисуются отважные исследователи глубоких недр планеты: одетые в кремнийорганические скафандры, беспрепятственно пробираются они в раскаленных ущельях глубинных земных пород, преодолевают реки магмы, моря кипящей геотермальной воды. Космонавты, которые высадятся на другие планеты, будут уверенно путешествовать по дневной стороне Меркурия (сравнительно с ней мифический ад показался бы прохладной аллеей), взбираться на ледяные вершины Плутона, плыть по болотистым джунглям Венеры. Обитаемые искусственные спутники и будущие «эфирные» города в пространстве вокруг Земли наверняка потребуют для своего строительства огромных количеств новых, еще более высокоценных кремнийорганических материалов».

* * *

Химия должна будет найти новые и лучшие, чем сегодняшние, вещества — преобразователи энергии.

«Заглядывая в будущее, — говорит академик Н. Н. Семенов, — можно представить себе, что когда-нибудь вообще исчезнут четкие грани между материалом, машиной и источником энергии. Появится какая-то совершенно новая форма существования материи, когда материал сам будет служить источником энергии, сам будет передавать ее или потреблять для реализации каких-либо процессов».

Ученый приводит в качестве примера кристаллы и даже отдельные молекулы, которые служат передатчиками и преобразователями энергии, — полупроводники, лазеры. Он подчеркивает, что преобразования в них вызываются только свойствами самого материала, только особенностями его внутренней структуры.

* * *

Мечтая о термоядерной энергии, фантасты представляли не раз, как зажгутся маленькие искусственные солнца. Такие солнца они размещали и на спутниках Земли — чтобы менять на ней климат. Или, в более отдаленном будущем, когда настоящее Солнце начнет угасать, заменить его и не дать жизни погибнуть.

Конечно, речь шла и о расцвете чисто «земной» энергетики — энергетики для насущных повседневных человеческих нужд. Подобная мечта осуществима, ученые пишут о том же самом. И, что интересно, они обращают внимание на возможности, которые открывает здесь химия. Ведь не только одни неорганические полимеры могут выступить в роли преобразователей энергии, утилизируя свет искусственных солнц. Профессор Е. М. Балабанов замечает: «Возможно, в будущем будет выгодно с помощью термоядерных реакций и ускоренного фотосинтеза создавать искусственное химическое топливо, используя его затем как горючее на транспорте и электростанциях».

* * *

«Новые стройматериалы изменят облик городов. Тонкостенные, легкие, изящные сооружения — их легко отапливать, потому что стены их задерживают тепло. Чтобы их построить, не нужно много материала. Многоцветные и, когда нужно, прозрачные, внешне как будто бы невесомые и хрупкие, а на деле — чрезвычайно прочные, они позволят создавать совершенно сказочные города с обилием света, зелени и воздуха».

Фантастическая картина, но нарисована она не фантастом. Так говорит академик П. А. Ребиндер.

«Замена окон с мелкими переплетами цельными зеркальными стеклами преобразит облик городов. Вместо серого, вечно нуждающегося в ремонте асфальта, мы покроем улицы цветными вечными плитами, а тротуары мозаичными панелями, к тому же дешевыми и стойкими. Весь город получит праздничное звучание. Улицы будут дополнять архитектуру домов, так как для оформления площадей, зданий, метро будут использоваться в неограниченном количестве цветные новые стекла-ситаллы. Ситалловые черепичные детали не только украсят, но и упрочнят крыши домов, они не будут нуждаться в окраске. Цвет и свет вольются в ансамбль наших городов и сел, будут окружать людей в труде и повседневном быту».

Фантастическая картина, но нарисована она опять-таки не фантастом. Так говорил о городе будущего профессор И. И. Китайгородский.

 

«НОВЫЕ ХИМИИ»

ХИМИЯ «ГОРЯЧАЯ» И ХИМИЯ «ХОЛОДНАЯ»

При высокой температуре все в мире молекул становится иным — другие действуют законы, другие правила и исключения. И, конечно, все это связано с большими скоростями частиц.

Их найдем мы в пламени. Красивый сине-зеленый центр огненного язычка, синий ореол вокруг него — все это видимое проявление скрытого механизма горения.

С точки зрения химика, горение — это цепь реакций, отрыв атомов и атомных групп, разрушение и образование молекул.

Не одна, а множество реакций следуют друг за другом; не один, а множество продуктов образуется в огне. Одни разрушаются, другие возникают, И мы даже можем описать, как и в каком порядке идут превращения. В пламени возникает плазма, в которой перемешаны осколки молекул — ионы, электроны и еще не успевшие ионизироваться атомы.

Огромная скорость химических реакций в плазме еще непривычна химикам, хотя огонь людям известен с незапамятных времен. Вот, кстати, характерный пример того, как простое, всем известное на самом деле оказывается сложным и долгое время остается неразгаданной тайной.

Горение для нас во многом уже не загадка. Приборы дали возможность наблюдать происходящее в пламени, а теория помогла набросать, хотя и в общих чертах, его картину.

Оказывается, все химические превращения в горящем газе успевают происходить всего за стотысячную долю секунды. Все частички разгоняются почти до тысячи метров в секунду!

Когда горение происходит в чистом кислороде, то времени требуется и того меньше. Не проходит и одной миллионной доли секунды, как совершается весь вихрь сменяющих друг друга реакций. Фактически тогда происходит взрыв.

Потому так трудно разобраться во всех тонкостях процесса горения, а разобраться крайне необходимо. Горение — цепь химических реакций, сопровождаемых выделением энергии. Им пользуется вся армия тепловых двигателей. О реакциях в пламени особенно важно, как можно больше знать инженерам, строящим самолеты и ракеты — самые скоростные машины нашего века. Тогда они смогут подчинить себе бушующее пламя, сделать так, чтобы использовать топливо возможно лучше.

Надо добиться возможности регулировать по нашему желанию скорость сгорания топлива, вмешиваться в ход реакции, улавливать, если нужно, таинственные промежуточные продукты, которые остаются невидимками, возникая и тотчас исчезая. Надо избежать и появления вредных соединений, разъедающих, например, металл.

Так проблема пламени оказывается связанной с долговечностью двигателей. Связана она и с химией.

Химические превращения, идущие обычно медленно, в плазме совершаются мгновенно. Побочные реакции обычно не принимают в расчет. Однако здесь они начинают играть решающую роль. Удается получить такие соединения, которые иначе трудно либо вовсе невозможно получить. Удается вовлечь в химический кругооборот такие элементы, которые при обычных температурах использовать можно лишь с большим трудом.

Нагретые газы могут реагировать не только между собой — они взаимодействуют и с твердыми веществами. Это происходит в двигателях — поршневых и турбинных, воздушно-реактивных и ракетных. В них сгорает топливо и образуются потоки сильно нагретых и быстротекущих газов, идет каскад сложнейших реакций с участием газообразных и твердых веществ. Это и химическая лаборатория, и, пожалуй, даже химический завод в миниатюре.

«Энтузиасты утверждают, что реактивный двигатель является прообразом химического завода будущего», — пишет американский ученый Райденауэр.

Правда, в двигателях вся «продукция» выбрасывается на ветер, хотя и не без пользы, конечно. Энергия, освобожденная при сгорании, движет самолеты и ракеты, и самолет летит намного быстрее звука, а ракета преодолевает притяжение Земли.

Но уже научились извлекать пользу из струй горящего газа для нужд земных. Можно, оказывается, прямо из пламени вылавливать ценные вещества — промежуточные продукты горения.

Нельзя ли их заставить работать еще эффективнее? Раз они особенно активны, то, быть может, имеет смысл извлечь их из одной реакции и подключить в другую. Тогда пойдут такие превращения, которые обычно не происходят. Мы сумеем получить вещества, какие до сих пор получить не удавалось.

Молекулы в пламени дробятся на осколки, группы атомов. На ничтожную долю секунды они освобождаются от своих связей внутри молекулы, становятся свободными радикалами. Одни из них появляются и тотчас исчезают, на смену им возникают другие. Реакция не затухает, она разрастается, захватывая все новые и новые молекулы.

Неустойчивые, исчезающие, как только они сделают свое дело, свободные радикалы послужат в руках химиков еще одним орудием для управления ходом реакций.

Свободные радикалы оказались той отмычкой, которая открывает многие двери. Они способны заставить вступить в цепную реакцию обычно устойчивые молекулы. С их помощью можно регулировать величину молекулярных построек, когда создаются полимеры.

Уже рождается еще один виц химического реактора — плазмотрон. В нем работает разреженный газ, нагретый до температуры в тысячи и десятки тысяч градусов. Недаром химию плазмы называют «звездной».

Высочайший нагрев позволяет проводить реакции без катализаторов и давлений и вдобавок быстро, минуя многие промежуточные этапы, Можно получать окислы азота из воздуха. Можно получать и полимерные материалы, и металлоорганические соединения.

Плазмохимик является одновременно и плазмо-металлургом. Плазменной струей можно резать, сваривать, распылять и наплавлять металл, наносить на него всевозможные защитные покрытия. Металлурги мечтают о том, как плазма сделает ненужными гигантские металлургические агрегаты, а металлургию позволит полностью автоматизировать, включая плавку.

Плазмотрон — это еще и бурильщик, прокладывающий скважины и даже большие туннели в горных породах.

Газовый разряд, при котором образуется плазменная газовая струя и при высоких температурах идут сложные процессы — молекулы распадаются на осколки, — вот что происходит в плазмотроне. Вместо нейтральных молекул получается смесь ионов, свободных радикалов и других частиц с высокой энергией. В струе плазмотрона могут происходить реакции, невозможные при обычных для химии температурах.

Когда в плазменную струю попадает другой газ, менее нагретый, он перемешивается и тоже становится участником превращений. Эти превращения протекают в тысячные, десятитысячные и даже еще меньшие доли секунды. За такие ничтожные промежутки времени успевает совершиться распад одних, перестройка и создание других соединений. Поэтому плазмохимия есть одновременно и химия высоких скоростей.

Только при высокой скорости и можно задержать участников реакции лишь настолько, чтобы получить нужные «горячие» частицы и не дать им измениться. Плазмохимия есть одновременно и химия горячих атомов.

Но ведь получив вещество в плазмотроне, надо его сохранить, чтобы оно не разложилось в той же сильно нагретой газовой струе. Для этого применяют быстрое охлаждение, причем именно в той зоне плазмы, где это нужно, и именно в тот момент, когда это нужно. Конечно, рассчитать работу плазмотрона могут только быстродействующие электронно-вычислительные машины. Только они в состоянии наилучшим образом определить технологию процессов, длящихся мгновения.

Сейчас плазма возникает в плазмотроне, а в будущем, возможно, «химическую» плазму станут получать, как отходы в термоядерных реакторах, а также под действием ядерного излучения.

«Совершенно новой областью знания становится химия неорганических веществ при высоких температурах — 3000–5000 °C. Уже сейчас изучение химических процессов в электрической плазме приобретает острый практический интерес. В будущем, когда будет решена проблема управляемой термоядерной реакции и когда такие температуры будут «отходами производства», проведение химических реакций при температурах 3000–5000° сделается, вероятно, основным в ряде технологических процессов, в частности при получении азотных удобрений», — говорит академик Н. Н. Семенов.

Химия высоких скоростей и высоких температур — новая глава в этой древней науке. И, кто знает, сколько увлекательных открытий предстоит сделать тем, кто занимается ими!

Новые открытия сулят и продвижение далеко вниз по температурной шкале. Уже выяснилось, что замороженные вещества могут реагировать между собой на глубоком холоде. Притом быстро, иногда далее быстрее, чем жидкости и газы при температурах повышенных. Хотя это кажется невероятным даже ученым, но, видимо, появился принципиально новый путь создания полимеров.

Оказалось, что свободные радикалы — те самые, что возникают при высоких температурах, — можно заморозить, и при сверхнизких температурах они живут уже не тысячные доли секунды, а намного дольше. Отсюда намечается путь, например, к топливу для ракетных двигателей невиданных мощностей. Энергия освобождается при рекомбинации свободных радикалов — при слиянии их в устойчивые молекулы.

Возможно, в будущем появится еще и химия низких и сверхнизких температур — криохимия.

 

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ

Высокое давление — еще одно орудие химиков. Оно ускоряет химические превращения и помогает получать больше готового продукта. Неудивительно поэтому, что оно участвует в производстве искусственных удобрений, пластмасс и многого другого.

Перестраивая молекулы с помощью высоких давлений, можно получить новые химические соединения. И десятки тысяч атмосфер в химической лаборатории уже не редкость. Тысячи атмосфер уже теперь не редкость на заводах, где возводят постройки из атомов и молекул.

Напомню историю с атмосферным азотом. Он составляет три четверти воздуха, но, чтобы его использовать, надо заставить пассивный, инертный азот вступать в соединения, связать его с другими элементами, например с кислородом.

Пробовали получить окислы азота, прибегая только к нагреву. Попытка окончилась неудачей, так же как и попытка получить аммиак — азотноводородное соединение. Реакции шли слишком медленно. И только тогда, когда применили катализаторы и высокие давления, добились успеха. Миллионы тонн ценнейшего сырья были извлечены из кладовой атмосферы.

Неудачей кончались и все попытки создать искусственный алмаз — до тех пор, пока не объединили усилия высоких температур и давлений.

Химия высоких давлений, несомненно, таит много неожиданностей, причем даже не такого характера, какие известны сейчас. Не только ускорение реакций, не только получение соединений, которые обычно не получаются, и не только новое обличие, новые свойства у старых, давно известных веществ. Высокие и даже сверхвысокие давления в сотни тысяч атмосфер — далеко не предел.

Уже удалось под действием высоких давлений и низких температур получить из нитрида бора боразон — вещество тверже алмаза. Интересно, что нитрид бора — неметалл — приобрел свойства металла. И лауреат Нобелевской премии американский химик У. Либби, впервые совершивший это удивительное превращение, сказал, что, повысив давление до миллиона атмосфер, мы откроем новый мир химических и физических явлений.

В лаборатории сейчас рекорд — десять миллионов атмосфер (почти в три раза больше, чем в центре Земли). На очереди — пятнадцать миллионов. При таком ультравысоком сжатии атомы разрушаются, и вещество, вероятно, превращается в своего рода плазму, в смесь ядер и электронов. О химических реакциях тогда трудно говорить.

Но пусть давление таково, что атомы еще целы, они только сжаты, но удерживают свои электроны. Что будет, если под «пресс» высоких давлений попадут разные атомы? Возможно, они обменяются электронами. И давление вынудит их сделать это гораздо быстрее: реакция, если она пойдет, убыстрится во множество раз.

Давление может послужить той силой, которая раздробит молекулы на атомы, создаст свободные радикалы, вещества станут необычайно активными. То была бы химия скоростная, даже сверхскоростная, химия высоких энергий.

Но откуда взять большое давление? Оказалось, что ультразвук способен образовать в жидкости пузырьки. Пузырек-крошка заполняется парами и газами, он расширяется и лопается, как бы взрываясь. При таком микровзрыве резко возрастает давление. Оно крошит молекулы жидкости и газов.

Воду, например, можно насытить азотом, водородом, кислородом. Ультразвук поможет окислить азот, соединит азот и водород в аммиачные молекулы и… здесь лучше всего пока ограничиться этими, уже известными примерами. Из бензола уже пробовали таким путем приготовить фенол — сырье для капрона.

Заглядывая же в будущее ультразвуковой химии — новой ветви химии высоких давлений, — можно предсказать самые удивительные перспективы: синтез новых соединений сложнейшего состава, реакции, которые пойдут без катализаторов и громоздких установок для высоких давлений.

А глубины Океана природа как будто нарочно приготовила для того, чтобы поместить там установки химии высоких давлений. И уже выдвинута идея подводного химического завода. Он сможет работать на подводном же сырье: нефти, природном газе, минералах, добытых со дна Океана, или же на «жидкой руде» — океанской воде. Возможно, такие заводы станут основой химической индустрии покоренного Океана.

 

ХИМИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Электричество давно идет рядом с химией. Электролизом извлекают разные элементы из различных солей. С помощью электричества осаждают слой одного металла, чтобы защитить другой металл от разрушения.

Электричество уже участвует в целом ряде химических превращений. А в будущем оно станет проникать в химию все шире и шире.

Электрический разряд — вот еще одно средство, которое, подобно катализатору, вызывает и ускоряет реакции.

Оказывается, даже микровзрыв, вызванный электрическим разрядом, может дать энергию для перестройки вещества, и химическим реактором становится ванна с жидкостью, через которую пропускаются импульсы тока.

Искра, вероятно, может заставить вступить в реакцию любые соединения и любые элементы. Она будет окислять, восстанавливать, разлагать и соединять. Управляя искусственной молнией, можно менять ее каталитическое действие.

Возможно, именно электрическими будут заводы по производству азотной кислоты из воздуха и воды. Возможно, именно электроразрядные установки станут производить озон из кислорода воздуха. Озон же нужен химикам для множества дел.

Электричество в руках химика — это мощное средство тончайшего и направленного воздействия на вещество, С его помощью можно соединять молекулы и части молекул — вести электросинтез. Мощные электрические силы «сшивают» хрупкие сложные молекулы, причем в определенных местах. Никаким другим способом не удается этого проделать. Именно электричество было одним из средств, которое заставило инертные газы соединиться с фтором и окисью фтора.

Электролизом легко наносить полимерные покрытия на металлы, ткани и те же самые пластмассы. Покрытие можно вдобавок сделать не только твердым, но, если нужно, и нерастворимым, непроницаемым или клейким.

Электроразрядная установка станет мощным химическим реактором.

Химики считают, что в периодической системе нет ни одного металла, который бы нельзя было получить электрохимическим путем. Они говорят: недалек тот день, когда электрохимия найдет способ получения железа из руды.

И электрохимия же сможет создавать сложные органические молекулы — заготовки будущих волокон. Электричество станет «сваривать» молекулы, строя из простых молекул более сложные, поможет получать очень чистые вещества.

Оно и теперь выручает там, где другим путем провести синтез невозможно. Когда же электроэнергия будет дешевле, электрохимия займет одно из первых мест в химической технологии.

С другой стороны, химия проникает в электротехнику и становится союзницей электроники. Вместе они создают новые электронные приборы — хемотроны. По существу, это крошечный химический элемент. В нем происходят обычные для электрохимии процессы, и проявляют они себя таким образом, что легко поддаются управлению.

Нужен миниатюрный электросчетчик. Для этого в ячейке между электродами ставят перегородку. Когда идет ток, на ней с одной стороны накапливается растворенное в электролите вещество. Зная, сколько его отложилось, можно определить, сколько прошло электричества. А отсюда — еще один тип запоминающего устройства для электронно-вычислительных машин.

Нужно измерить давление. В ячейке опять помещают перегородку, на этот раз с небольшим отверстием. Электролит может перетекать из одной части ячейки в другую. Чем больше давление, тем больше перетечет жидкости, тем сильнее изменится ток в цепи.

Приборы эти могут быть разных размеров. Есть счетчик, который помещается в наперстке! Самый маленький хемотрон меньше спичечной головки. Вот как миниатюрны хемотронные приборы, хотя здесь они и уступают полупроводникам.

Для их работы не нужны громоздкие источники тока. Потому-то ими интересуется в первую очередь космонавтика: на ракете каждый грамм на вес золота! Поэтому ими интересуется медицина — ей ведь тоже необходимы приборы-крошки.

Трудно предвидеть, где еще будут работать хемотронные ячейки.

Хемотронные приборы-крошки не будут бояться жары, а потому появятся на разведчиках земных недр, которые попадут в царство высоких температур; они окажутся на ракетах и межпланетных станциях, которые полетят вблизи Солнца или опустятся на «жаркие» планеты — Меркурий и Венеру.

Химия с помощью хемотроники сможет управлять своим собственным производством. И сделает она это органично, «забираясь» в самое существо происходящих превращений. Ведь работает в хемотроне ион — частица вещества, получившая заряд и нередко участвующая в реакции.

Ионы послужат сигнализаторами происходящего в химическом реакторе. Вещества как бы сами с помощью хемотрона доложат о том, что с ними делается: какова их концентрация, плотность, давление, какова скорость потоков. И все это будет «сказано» ионами, выражено электротоком, который появится в приборе и который легко уже передать в электронный автомат. Он мгновенно определит, нет ли отклонений, идет ли реакция так, как надо, и выдаст управляющую команду.

И, что очень важно, хемотрону безразлично, какие вещества находятся в реакторе — пусть даже самые ядовитые, агрессивные. Хемотрон дополнит арсенал электроники, он сделает то, что недоступно полупроводникам.

Электролит хемотрона может реагировать на свет. Не путь ли это к хемотрону-фотоэлементу?

Хемотроника — еще шаг к тому, чтобы позаимствовать полезный опыт природы, Живая клетка — это всегда химическое производство, и работающая в ней «автоматика» напоминает хемотронную систему.

 

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Прямое превращение химической энергии в электричество совершается в обычных электрохимических источниках тока. Они применяются в тех случаях, когда все другие генераторы непригодны, а даже не раз летали в космос вместе с солнечными батареями.

Сейчас пришло время вернуться к старой идее, но воплотив ее по-иному. Подобных примеров можно было бы найти в технике немало. То же случилось и в электрохимии.

Гальванический элемент в прежнем его виде не может конкурировать с другими генераторами тока.

Для него нужны дорогие дефицитные цветные металлы, электролит и электроды приходится часто менять. Потому обычные батареи недолговечны и неэкономичны. На подводной лодке или на спутнике с этим приходится мириться. Но электрохимия занимает скромное место даже в «малой» энергетике, а о большой уже нечего и говорить.

Появился новый генератор тока — топливный элемент. В нем тоже есть ванна с электролитом и электроды. Только все вещества — участники реакции — непрерывно подводятся, а отходы удаляются. Объем элемента уже роли не играет, и запас исходных веществ практически неограничен, а потому неограничен и срок службы.

По-другому устроены и электроды. Теперь они не участвуют в реакции и не разрушаются, они только служат для подвода горючего и окислителя. Их делают пористыми, покрывают катализаторами и продувают через них газ либо прогоняют под давлением жидкость.

Теперь назовем действующих лиц. Газ — это водород, пли окись углерода, или природный углеводород. Можно воспользоваться продуктами перегонки угля, газами, которые сопутствуют нефти или получают из нее. Годится и жидкое углеводородное топливо.

Главным действующим лицом все же будет водород. Это его молекулы распадаются на атомы, ионизируются, идут к другому электроду, снова претерпевают ряд превращений, пока на другом электроде не появится вода. Между электродами возникает ток.

Если использовать углеродистое топливо, то тоже будут идти сложные электрохимические процессы с участием электролита, которого, правда, расходуются очень немного. Словом, здесь и открывается дорога для того, чтобы химическую энергию, скрытую в виде топлива в недрах Земли, пустить в дело, и притом куда выгоднее, чем до сих пор.

Отработавшие в элементе вещества можно восстанавливать, чтобы снова пускать в работу. Это, вероятно, удастся сделать химическим же путем, либо воспользоваться излучениями ядерного реактора, либо, наконец, энергией Солнца.

Если топливом будет служить, например, окись азота и хлор, то в топливном элементе образуется хлористый нитрозил. Под действием солнечного света он вновь распадается, обеспечивая элемент топливом.

Инженеры предполагают, что со временем, когда научатся получать дешевое электрохимическое горючее и повысят мощность топливных батарей, топливными элементами заменят бензиновый двигатель. Мечта об электромобиле станет, наконец, явью. Тогда легковые автомобили, автобусы, грузовики не будут загрязнять воздух. Автотранспорт станет бесшумным.

Топливные элементы преобразят сам автомобиль. «Химической» автомашине не понадобятся обычные системы питания топливом, смазки, зажигания. Не нужна будет н обычная коробка передач.

Более полно использовать топливо, перестать выбрасывать тепло с выхлопными газами — вот что обещает в будущем электрохимия. А затем постепенно, начав с малого — с установок на сотни и тысячи киловатт, — новые источники тока начнут завоевывать прочные позиции и в большой энергетике. И электроток, который они будут давать, обойдется намного дешевле.

Топливные элементы для большой энергетики потребуют от химии новых поисков. Надо добиться, чтобы химические реакции в них протекали как можно быстрее. Только тогда они дадут достаточную мощность. Надо избежать коррозии электродов да и самих сосудов, в которых хранится электролит, — для них придется разработать новые материалы, например керамические.

Возникла еще одна мысль: скомбинировать топливный элемент с ядерным реактором, Может быть, частицы, которые образуются при атомном распаде, смогут стать поставщиками горючего для топливного элемента, разлагая воду на водород и кислород? Ведь эти частицы способны разрушать молекулы, перегруппировывать атомы. Проблема питания новой энергоустановки была бы решена. Конечно, такая комбинация потребуется не всюду, а лишь там, где трудно добыть другое топливо.

Топливные элементы уже получили первое крещение в космосе — они работали на кораблях-спутниках «Джеминай».

Электролитом может послужить и морская вода, Не потому ли думают оборудовать подводные лодки топливными элементами?

Нельзя все наши топливные ресурсы отдать энергетике, но и нельзя все их отдать химии. Топливо должно стать энергохимическим сырьем, И вместо теплоэлектроцентралей появятся энерготехнологические комбинаты. Кстати сказать, они будут работать совершенно без отходов, дадут не только множество химических продуктов, но и обеспечат горючим новейшие преобразователи энергии — топливные элементы.

Стоит подумать и над тем, как аккумулировать энергию. Электрохимические аккумуляторы дороги и несовершенны, но электрохимия, создавая топливные элементы, осваивает прямое преобразование химической энергии в электрическую. А ведь возможно и обратное превращение. Не будет ли топливный элемент служить и как аккумулятор?

Аккумулирование энергии особенно важно для солнечных станций, работающих только днем. Выдвигается идея использовать вместе водородно-кислородный топливный элемент и электролизер, разлагающий воду на водород и кислород. Солнечные батареи будут днем давать ток в сеть и для электролиза, обеспечивая элемент на ночь топливом.

Предлагают использовать в топливном элементе и бактерии. Для этого их вместе с питательной средой надо подать к одному из электродов, а к другому подвести кислород. Разлагая и окисляя органические вещества, они выделяют водород, который и служит топливом в элементе.

Такие бактерии есть в океане; там для них в придонных слоях изобилие пищи. Есть они я в желудке человека, и, может быть, этим воспользуются, чтобы обеспечить электроэнергией космонавтов. И вообще биохимическая энергетика разовьется всюду, где получаются отходы органических веществ — например, на пищевых комбинатах, на животноводческих фермах.

 

ХИМИЯ РАДИАЦИОННАЯ

Нагрев и давление «сшивают» из молекул-одиночек длинные молекулярные цепочки, исходный мономер превращают в нужный полимер.

Все это выглядит заманчиво и, главное, просто. На деле же оказывается иное. Нужен еще помощник — катализатор. К тому же нередко мешают примеси, от которых избавиться сложно. Не надо думать, конечно, что трудности вообще непреодолимы. Иначе не было бы всего огромного семейства пластмасс.

Но можно сделать и так: подвести к молекулам энергию другим путем — обстрелять их частицами, тогда высокие температура и давление уже не понадобятся, как не понадобится и катализатор.

Химик, создающий полимеры, отчасти чем-то напоминает садовника. Он выращивает большие молекулы и простые цепочки, короткие или длинные, и кустики с боковыми ветвями; и соединяет одно с другим, получая все более и более сложные химические «деревья». Он может сделать прививку: к молекуле одного полимера «привить» молекулу другого и получить гибрид.

И тогда из полимера жаростойкого, но портящегося в бензине или масле и полимера бензомаслостойкого, но не переносящего жары возникает материал, которому не страшны ни нагрев, ни масло, ни бензин.

Прививка на растении приживается сама по себе. Химику же приходится «пришивать» молекулы, и он может здесь воспользоваться радиацией. Излучения помогут возводить новые молекулярные постройки. Они полимеризуют вещества, которые иначе больших молекул не образуют.

Вот перед нами маленькое озеро жидкого мономера. Облучим эту заготовку. И что же? Жидкость сразу застынет, превратится в прозрачный кусок плексигласа — органического стекла. Теперь перед нами не жидкий мономер, а твердый, кристаллический полимер. Никаких операций с ним не надо производить: ни греть, ни растворять, ни перемалывать.

Можно превратить жидкий мономер и в волокно. А отсюда уже недалеко и до готовой ткани.

Радиационная химия могла бы решить и другую задачу; энергией излучений заставить соединиться азот и кислород воздуха. Тогда мы получили бы возможность готовить удобрения прямо из атмосферы, потому что двуокись азота — превосходное сырье. Давний этот замысел осуществится сравнительно простым путем благодаря радиационной химии.

Ядерный реактор станет и химическим заводом. Ведь радиоактивные осколки — это носители энергии, которая может перестраивать вещество. Из воды в нем получат водород — заготовку для многих химических реакций. Водород в нем же соединится с углеродом, причем произойдет это проще, чем обычно, без повышенного давления. В конечном итоге, в реакторе синтезируются аммиак и спирты, углеводороды и фтороуглероды.

Радиационная химия — это преодоление невозможного. Те превращения, которые она вызывает, недоступны обычной химии. И пусть многое, о чем мы здесь рассказали, пока еще рождено лишь в лаборатории. От лаборатории до производства — один шаг, и он будет сделан в ближайшее время.

 

ЧИСТОЕ ВЕЩЕСТВО

Наш век по-прежнему остался веком железа. Точнее было бы сказать — веком стали, то есть железа с добавками углерода и других элементов. Загрязняя железо, мы его облагораживаем. Только сталь, а отнюдь не чистое железо и служит основным материалом техники наших дней.

О том, что чистое железо таит в себе неожиданные свойства, могли раньше лишь подозревать. Ведь наводила же на эту мысль знаменитая колонна в Индии, которая, не изменяясь, не окисляясь, стоит уже много веков. Но химия до недавнего времени не умела получать очень чистые вещества. Когда же она научилась это делать, то многие вещества предстали в новом виде, Отсюда произошло их второе рождение, отсюда их широкое вторжение в жизнь.

Германий, например, так бы и остался где-то на задворках, если бы не оказалось, что в чистом виде он отличный полупроводник.

Придется, вероятно, пересмотреть прежние представления об элементах главных и второстепенных. Придется пересмотреть и заявки, которые сделает химия будущего на сырье.

Чистота откроет истинные свойства вещества. Неизвестно, какие неожиданности преподнесет вещество, в котором не будет почти ни одного постороннего атома или молекулы. Само понятие о чистоте со временем будет меняться, один посторонний атом будет приходиться уже не на миллионы, а на триллионы атомов.

А достижим ли верхний предел, можно ли изгнать все примеси, получить идеально чистое вещество? Оказывается, на практике этот идеал недостижим. Чем меньше остается «грязи», тем труднее ее удалять, труднее вылавливать оставшиеся одиночные атомы. Кроме того, вещество невозможно изолировать, оно всегда будет соседствовать с чем-то — даже если поместить его в вакуум. Ведь и идеальный вакуум тоже недостижим. В итоге произойдет обмен, взаимодействие, и какое-то, хотя бы ничтожно малое, загрязнение все же остается.

Достигнуть как можно более высокой чистоты — задача заманчивая. Тогда выявляются подлинные свойства вещества, и зачастую совершенно неожиданные. Химики говорят, что чистота — уже современная — представила им знакомое в новом свете. Металлы хрупкие и ржавеющие оказались эластичными и стойкими, а твердые — мягкими.

Уже теперь можно обнаружить один посторонний атом среди миллиарда основных. И такой точности добиваются не ради рекорда. Столь высокая степень чистоты необходима, чтобы, например, полупроводник германий был полупроводником.

Обычные методы непригодны для контроля качества в ультрачистой металлургии. Разрабатываются новые методы анализа. В будущем химия сможет обнаружить один атом среди сотни триллионов других.

За сверхчистыми веществами стоят сверхжаростойкие сплавы.

Атомная техника требует материалов наивысшей чистоты. Даже миллионная доля процента примесей бора к урану сделает работу реактора невозможной.

Их потребует термоядерная энергетика, основа которой — плазма, нагретая до миллионов градусов.

Что еще обещает химия ультрачистых веществ?

Материалы, побывавшие в ядерном реакторе, загрязнены радиоактивными осколками. Эти примеси надо удалить, остаться должны лишь самые ничтожные их количества. Если бы можно было добиться такой очистки, то произошел бы переворот в технике и быту.

«Его не могут представить себе даже авторы фантастических романов», — замечает академик И, И. Черняев. И он набрасывает действительно сверхфантастическую картинку.

Суда, летательные аппараты, электростанции могли бы использовать энергию распада ядер активных элементов почти полностью. Применение в быту атомной энергии возросло бы настолько, что способы ее использования оказались бы совершенно несравнимыми по своему многообразию с использованием пара и электричества в настоящее время. Наступила бы эра полной перестройки бытовых приборов, а также орудий и приемов техники и сельского хозяйства.

Сверхочистка нужна и для целей химического синтеза. Например, техника уже сейчас требует материалов с различными магнитными и электрическими свойствами. Для того чтобы их создать, химики должны дать сверхчистые вещества, ввести в них специальные добавки — столько, сколько требуется, и так, как требуется.

Судьба всех новых способов прямого превращения тепловой энергии в электрическую связана с созданием дешевых полупроводниковых материалов высокой степени чистоты. Один процент примесей — и полупроводник перестает быть полупроводником. А потому «загрязненность» допускается не более миллионной или даже миллиардной доли процента. Иногда требования бывают и еще жестче. И судьба всех проектов, вроде солнечных батарей на крышах домов, либо мощной электростанции на космическом корабле, или внеземной станции, оказывается в руках химиков. Можно было бы уже сейчас устроить домовую солнечную электростанцию на полупроводниках, если бы она не стоила свыше миллиона рублей и не занимала бы огромную площадь.

Когда появятся высокоэкономичные полупроводниковые термобатареи и фотоэлементы, гелиотехника начнет свое победное шествие по нашей планете.

Солнечные батареи разместились бы на крышах зданий, и заводы, животноводческие фермы, дома получили бы дешевый электроток. Для них хватило бы места даже на крышах автомашин.

Быть может, стоило бы занять батареями хотя бы небольшую часть пустынь. Это поможет добыть воду из подземных пресных озер, даст жизнь заводам и городам, возникшим в пустынных районах.

Полупроводниковыми батареями можно было бы покрыть склоны гор и любые другие пространства, где достаточно солнца и которые нельзя никак использовать по-другому. Наконец, и на искусственно созданных в океане островах найдется место для гелиостанций.

И даже если мы не займем солнечными батареями ни пустыни, ни склоны гор, ни поверхность океанов, ни даже Луну — как это иногда предлагают, все равно Солнце даст нам немало для наших повседневных нужд, для того, что зовется «малой» энергетикой.

Повышенные требования к чистоте материалов предъявляют химикам все новые и новые отрасли техники. В будущем эти требования намного расширятся.

Вероятно, самым подходящим местом для получения сверхчистых веществ было бы межзвездное пространство. На Луне и внеземных станциях в будущем разместят химические заводы.

 

ПОМОЩНИКИ ХИМИКОВ

У химиков есть чудесные ускорители — катализаторы. Не меняясь сами, они заставляют взаимодействовать другие вещества. Если реакция идет недостаточно быстро, они ее ускоряют. Если она идет слишком бурно — замедляют. Правда, тогда это будут «катализаторы наоборот» — ингибиторы.

Размах скоростей различных превращений необычайно широк. Миллионные доли секунды длится взрыв, топливо сгорает за тысячные доли секунды, а ржавчина на влажном железе появляется через несколько часов, И быстрые, и медленные процессы совершаются повседневно и вне нас, и в нас самих. Ибо ведь и человек — «химическая фабрика», перерабатывающая пищу и кислород.

Иногда химия выступает в роли «ускорителя времени». Она изменяет счет на геологических часах, сжимает тысячелетия чуть ли не до мгновения.

Природе потребовались миллиарды лет, чтобы превратить растения в каменный уголь. Современные химики повторили примерно то же самое за восемнадцать дней. Они обработали полуфабрикат, извлеченный из древесных опилок. Результат: бурый уголь. Продолжили опыт, и еще через несколько суток был готов настоящий каменный уголь.

Сама жизнь поставила перед химиками проблему научиться замедлять или ускорять реакции.

Потому и понадобилось найти вещества, способные решить такую задачу.

Впереди — улучшение старых и создание новых химических ускорителей. Надо добиваться более сильного их действия и, что очень важно, при невысоких температурах. Иначе появятся примеси, нужного вещества получится меньше и оно не будет чистым.

Как ни велик выбор, его надо расширять. Разве все возможные реакции уже осуществлены? Разве всегда химическое производство идет самым дешевым и коротким путем? И разве всегда химик, перестраивая молекулы, делает это именно так, как лучше всего? Здесь и должны помочь катализаторы — и старые и новые.

Если бы удалось составить каталог катализаторов, то можно было бы сразу, а не вслепую воспользоваться единственно необходимым.

Катализаторам мы будем обязаны тем, что дешевое сырье — уголь и древесина, известь и вода — даст изобилие синтетики (от каучука и топлива до медикаментов и пластмасс).

Фантасты предлагают чудодейственный катализатор, легко разлагающий воду: водородно-кисло-родное топливо получается без всякого электролиза, самым наипростейшим путем. Автомашины вместо бензина можно заправлять обычной водой. Удобно, не правда ли?

Инженеры строят двигатели на газообразном горючем — уже не прежние газогенераторы, работающие на деревянных чурках. Вместо бензина — аммиак. И, быть может, из воды и воздуха с помощью небольшого ядерного реактора станут получать горючее для автомашин. Особенно удобным это было бы для вездеходов, которые смогли бы заправляться водой из любого водоема. Так химия с помощью атомной энергетики воплотит в жизнь мечту фантастов о превращении воды в топливо.

Новые катализаторы позволят из простых веществ получать сложнейшие. Они помогут брать из воздуха азот, вовлекая его в различные химические соединения, использовать экономично солнечную энергию в фотохимических преобразователях, заставить работать искусственные мышцы. Полимеры — жаростойкие и высокопрочные — тоже окажутся «делом их рук».

И, вероятно, катализаторы будущего позволят найти путь к превращению угля и воды в пищевые и технические жиры, над чем уже долго бьются химики.

Чрезвычайно активные катализаторы помогут преобразовывать солнечную радиацию — и, возможно, не только видимый свет — в другие виды энергии. Появятся фото-и термоэлементы столь совершенные, что они станут промышленными источниками тока. Когда-то их к.п.д. не превышал доли процента, потом он возрос до семи — десяти. Повышение еще в несколько раз вполне реально.

А ингибиторы — замедлители реакций — смогут предотвращать гибель металла от коррозии, старение пластмасс, порчу пищевых продуктов, быть может, даже помогут бороться с лучевой болезнью и злокачественными опухолями.

Очень многому здесь может химия научиться у природы.

Уникальному, идеально налаженному производству, которое существует в клетке, могли бы позавидовать инженеры-химики. То, что на заводах совершается при высоких температурах и давлениях, в ней происходит при комнатной температуре и давлении ровно в одну атмосферу, и притом намного быстрее.

В чем же дело? Да в том, что природа расчленяет химический процесс на многие этапы, и каждый шаг уже не требует столь большой затраты энергии. На каждом этапе работают свои ускорители-ферменты.

Здесь-то и скрыт секрет того совершенства, с каким мы сталкиваемся в живой клетке. Командуют в ней ферменты — достаточно сложно устроенные белковые молекулы.

Эти биологические ускорители заставляют протекать химические реакции в организме в десятки и сотпи тысяч раз быстрее. Именно от них зависит обмен веществ. О необычайной химической активности ферментов говорит такой факт. Под действием воды крахмал превращается в сахар. И ферменты ускоряют эту реакцию в десятки тысяч раз. Иначе пища в желудке переваривалась бы месяцами…

Ферменты — ключи жизни. Ими обладают все существа — от самых простейших и мельчайших до человека. Они есть в растениях, и не будь их — не было бы фотосинтеза. Вот почему академик Н. Д. Зелинский говорил, что ферменты перебрасывают мост между живым и неживым, помогают создавать живое, органическое тело.

Природные ускорители куда сложнее наших искусственных, но зато они и намного энергичнее. Их действие неизмеримо сильнее, чем у тех, которые создаются в лабораториях.

Ферментов известно несколько сот. Однако строение многих из них остается загадкой, и разгадать ее очень важно.

Во-первых, потому, что ферменты не только катализаторы, которые разлагают, обезвреживают вредные вещества, ускоряют окисление веществ полезных, но и переносят атомы или группы атомов от молекулы к молекуле, когда это бывает нужно организму.

Во-вторых, они служат защитниками от неожиданных химических опасностей: стоит появиться в организме яду, как ферменты тотчас начинают его разрушать. И ведь любопытно, что борьба с вредными насекомыми сильно осложнилась благодаря ферментам. В организме насекомых выработались противоядия, и уничтожать насекомых стало куда труднее.

В-третьих, и потому, что среди ферментов есть химические аккумуляторы энергии. Энергия требуется и для создания белков, и для работы мышц, для сохранения постоянной температуры тела — словом, для любого проявления нормальной жизни организма.