Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий - Эрлих Генрих Владимирович (читаемые книги читать онлайн бесплатно .TXT) 📗
Они научились делать с молекулами мыла все, чего ни пожелаешь. При низких концентрациях молекулы плавали поодиночке на поверхности воды и вели себя как своеобразный двумерный газ. С ростом концентрации они конденсировались в плоские “жидкие” капли, а затем “застывали” в сплошной слой толщиной в одну молекулу, который при сжатии приобретал строго регулярную структуру, подобную кристаллу. Эти и многие другие полученные ими результаты были чрезвычайно интересны с научной точки зрения и вполне заслуживали присуждения Нобелевской премии, но их практическая значимость была нулевой. Ведь все эти слои получали на поверхности воды, субстанции, как известно, текучей и изменчивой.
Все переменилось, когда Блоджетт придумала, как переносить эти слои на твердую подложку. В том, что придумала это именно Кэти, сомнений нет. Да, в научной литературе употребляют словосочетание “слои (метод) Ленгмюра – Блоджетт”, но в патентах фигурирует только одна фамилия – Блоджетт. Наука наукой, а роялти врозь.
Метод чрезвычайно прост, как и все великое. Плотный слой мыла на поверхности воды можно уподобить прочному покрывалу, одна сторона которого, обращенная к воде, гидрофильна, а другая – гидрофобна. Возьмем теперь тонкую пластинку, подведем ее стоймя под слой мыла и начнем поднимать вертикально вверх. Вода будет стекать по стенкам, а “покрывало” будет плотно облегать поверхность пластинки. Этот опыт вы можете воспроизвести у себя дома, в тазу или ванне. Все, что вам нужно, – это вода, мыло и хорошо отмытая стеклянная пластинка, на которой вода растекается тонким слоем. Сделав все описанные выше манипуляции, вы получите пластинку, на которой вода собирается в капли. Получилось? Поздравляю, вы только что нанесли на поверхность пластинки слой толщиной в два нанометра и практически осуществили один из классических процессов нанотехнологий.
Технология, конечно, более сложна. Вы и сами, исходя из бытового опыта, уже догадались, что “покрывало” при таком подъеме непременно должно натягиваться и растягиваться, а там и до разрыва недалеко. Вот тут-то и пригодились подвижные стенки, которых, увы, нет в наших ванных. В сконструированном Блоджетт устройстве стенки постепенно сближаются, поддерживая постоянным давление (натяжение) в поверхностном слое. Искусство экспериментатора, желающего получить качественное покрытие, заключается в точном согласовании скорости подъема пластинки и скорости движения стенок ванны.
Как и во всяком деле, самым трудным был первый шаг. Перед Блоджетт, придумавшей, как нанести мономолекулярный слой на твердую поверхность, открылись широчайшие перспективы. Вот и вы, проделав на практике или мысленно описанный выше эксперимент, наверняка уже задавались вопросом: а зачем непременно поднимать пластинку снизу вверх, ведь это так неудобно, почему бы не опускать ее сверху вниз? Что ж, можно делать и так, но при этом “покрывало” ляжет на пластинку другой стороной. “Черный верх, белый низ” трансформируется в “белый верх, черный низ”. Тоже интересно! А кто сказал, что надо брать непременно “голую” пластинку? Действительно, можно взять пластинку с нанесенным на нее монослоем и тем же способом нанести поверх него еще один слой, и еще, и еще. А слои-то могут быть разными, и ориентированы они могут быть по-разному, и т. д. и т. п. Все это не что иное, как молекулярный конструктор, в который можно играть до бесконечности.
Сейчас в научно-популярной да даже и в научной литературе можно встретить утверждения, что в 1930-е годы метод Ленгмюра – Блоджетт вызывал чисто академический интерес, практическую же его реализацию стимулировало лишь развитие нанотехнологий – детища нашего времени. На самом деле это не так. Не будем забывать, что Ленгмюр с Блоджетт работали в компании “Дженерал электрик”, которую интересовали в первую очередь практические результаты.
Я уже рассказывал об оптических эффектах в тонких слоях, связанных с отражением света и интерференцией. Вот и Блоджетт обнаружила, что цвет получаемых ею “слоеных пирогов” зависит как от химической природы молекул поверхностно-активного вещества, так и от числа слоев. Она составила детальную цветную шкалу, позволявшую легко определять толщину нанесенного покрытия без каких-либо измерений. А еще Блоджетт обнаружила, что при определенных условиях покрытие вообще практически не отражает падающий свет, пропуская более 99 %. Оно не только само становится невидимым, но и делает идеально прозрачным стекло, на которое оно нанесено. “Просветленная оптика” – так это называется, и люди, профессионально занимающиеся фотографией, прекрасно знакомы с этим термином.
О создании “невидимого” стекла компания “Дженерал электрик” объявила в 1938 году, не вдаваясь в технические детали. Они стали известны из патента, полученного Блоджетт в 1940 году. Наилучшие результаты были получены ею при нанесении 44 (!) мономолекулярных слоев стеарата бария на поверхность стекла.
Не вина Блоджетт, что эти исследования были остановлены. Таково было решение компании, кроме того, в дело вмешалась Вторая мировая война. Блоджетт разрабатывала составы, предотвращающие обледенение самолетов, и рецептуру дымовых смесей, она занималась тем же, чем занимался в те годы Ирвинг Ленгмюр.
За сорок лет своей научной деятельности Блоджетт опубликовала тридцать научных статей и получила восемь патентов. В положенное время она все же вышла на пенсию и прожила еще почти двадцать лет в своем доме в Скенектади, городке, где она родилась и проработала всю жизнь. Мужем она так и не обзавелась и детей не родила. Единственный родной ей человек, брат Джордж, сгинул в начале 1950-х годов в джунглях Коста-Рики, разбившись на пилотируемом им спортивном самолете. А в 1957 году ушел из жизни Ирвинг Ленгмюр.
По воспоминаниям современников, Кэтрин была весьма активной дамой: играла в любительском театре, участвовала в разных гражданских и благотворительных мероприятиях, днем возилась в саду, по вечерам играла в бридж с друзьями, а по ночам наблюдала звезды в телескоп. Вот уж воистину интеллигентному человеку никогда не бывает скучно, даже наедине с самим собой он всегда найдет чем заняться.
Кэтрин Блоджетт повезло в жизни в том смысле, что она смогла реализовать свои способности. И в то же время ее судьба чем-то напоминает судьбу Агнесс Покелс, не так ли?
Сейчас фамилия Блоджетт на слуху у всего научного сообщества, хотя склоняют ее часто как мужскую не столько из-за мужского шовинизма (грешат этим и женщины), сколько из-за пренебрежения историей вопроса, историей всего. Ежегодно проводятся научные конференции, посвященные исключительно слоям Ленгмюра – Блоджетт, сокращение ЛБ (LB) не нуждается в расшифровке в специальной литературе. Интерес к ним действительно резко возрос в эпоху нанотехнологий, но я бы затруднился дать однозначный ответ на вопрос, что здесь причина, а что – следствие.
С помощью молекулярного конструктора Блоджетт на поверхности различных подложек получают тончайшие слои (вплоть до толщины в один атом) электропроводящих, полупроводниковых и магнитных веществ. Подвижные слои поверхностно-активных веществ армируют холестерином и другими соединениями, придавая им твердость, на их поверхность или внутрь вводят молекулы белков, все в целом это чрезвычайно напоминает – вы абсолютно правы! – мембраны клеток живых организмов.
ЛБ-слои сами могут служить подложкой для образования и роста неорганических кристаллов. Похожим образом в живых организмах формируются кости, зубы, панцири, и мы, моделируя и воспроизводя Природу, сможем с помощью метода Блоджетт получить новые бионеорганические материалы (их иногда называют биокерамикой) для протезирования или иных технических целей.
Это дело будущего, но уже сейчас ЛБ-слои используют для производства рентгеновских дифракционных решеток, газовых сенсоров, рабочих элементов так называемых первапорационных мембран, позволяющих разделять небольшие по размеру молекулы различных веществ, наноразмерных диэлектрических покрытий и прослоек в электронных устройствах и многого другого. Нанотехнологии в действии.
