Ожидаемое и неожиданное

Заглядывая в будущее, можно представить себе, что когда-нибудь вообще исчезнут четкие грани между материалом, машиной и источником энергии.

Когда сегодня заходит речь о будущем техническом прогрессе человечества, то из труднообозримой массы проблем техники и экономики достаточно четко выделяются три ведущих направления. Это — проблема химизации, проблема энергетики, особенно электрификации, и проблема автоматики, включая кибернетическое управление. Дело не только в том, что эти направления по существу определяют основу мира, в котором мы живем — саму материю, силы, что приводят ее в движение, и законы, которые делают это движение целесообразным. По своей роли и химия, и энергетика, и кибернетическое управление представляют собой всепроникающие понятия.

Какими бы большими или малыми достижениями ни ознаменовался очередной шаг человечества по пути прогресса — будь то запуск космических кораблей или победа над очередной болезнью, создание атомных энергоцентралей или рекордных урожаев — за всеми успехами скрываются прежде всего открытия в этих ведущих отраслях. Совершенно закономерно, что во главе этой «триады» стоит химия, которая в тесном союзе с другими областями знаний, и прежде всего с физикой, решает задачи, связанные с превращением материи и формами ее существования.

Для неспециалистов успехи химической науки и по сей день зачастую отождествляются с их наиболее доступным проявлением — новыми материалами. И это понятно — мы веками наследуем неразрывную связь понятий «химия» и «материал». Созидая жилища и орудия труда, изготовляя одежду и домашнюю утварь, человек с самых древних времен стремился усовершенствовать то, что давала ему природа, или получить продукты, которые она не в состоянии была ему дать.

Металлы — один из древнейших и наиболее важных природных материалов, используемых человеком. Нет нужды напоминать все бесчисленные этапы его превращений, отделяющие эпоху    податливой    бронзы от  наших  дней — дней высокопрочных легированных сталей. Интересно тут другое. Веками совершенствуя свойства металлов, научившись создавать из них сложнейшие комбинации и зная сотни методов обработки, человечество лишь недавно овладело секретом получения металлов в чистом виде. Сверхчистые железо, цирконий и гафний, тантал и ванадий, хром, ниобий, германий, галлий вошли в нашу жизнь лишь благодаря успехам, достигнутым химией и смежными с нею науками.

Совсем необычные перспективы открывают перед техникой разделы химии и физики, занимающиеся изучением металлов на молекулярном уровне. Давно известно, что механические свойства металлов определяются архитектурой их кристаллической решетки. И один из путей достижения высокой прочности — это приближение к идеально упорядоченной структуре кристаллов. Его реальность подтверждают науке так называемые «усы»— тончайшие нитевидные монокристаллы металла, структура которых удивительно близка к идеальной. Именно в строении кроется секрет их поразительной прочности — подчас в десятки раз превышающей прочность обычной стали.

Сегодня тесный союз химии, физики и металловедения открыл возможность выращивания подобных «усов» искусственным путем. И хотя получаемые в лабораторных условиях нитевидные кристаллы пока еще очень малы, они находят уже практическое применение. Уже сегодня из искусственных металлических монокристаллов делают подвесы чувствительнейших приборов. Не исключено, что не в таком уж далеком времени будут разработаны методы получения из этих небольших нитей и прочного волокна. Наконец выяснилось, что, используя нитевидные «усы» в сочетании с наполнителями— стеклом, мягкими металлами, полимерами, можно будет создать материалы, конструкцией   напоминающие   стеклопластики.

Но, конечно, самой заманчивой остается перспектива научиться получать когда-нибудь не тончайшие нити, а целые объемные изделия из металла с идеальной структурой. Технологически осуществить это сегодня не представляется возможным. Но трудно угадать, не удастся ли это сделать завтра. Ведь известно, что в науке ожидаемое и неожиданное всегда шагают рядом.

Вторжение в кристаллическую структуру вещества преображает не только металлы, но и другие неорганические материалы, например, стекло, давно и с успехом используемое человеком. За стеклом — набор неоспоримых достоинств, открывших ему широкую дорогу в технику, в быт, строительство. Вместе с тем, использованию стекла мешали другие его свойства: хрупкость, малое сопротивление удару и изгибу, недостаточная устойчивость к резким 'перепадам температур. Частично их удавалось исправить при помощи современных способов термической и химической обработки поверхности изделий. Но радикальное преображение стекла оказалось возможным лишь тогда, когда мы научились улучшать его прочностные качества по всему объему деталей. Именно это направление привело к созданию столь популярных сегодня ситаллов или пирокерамов — стеклокристаллических веществ, причисляемых к самым перспективным неорганическим материалам.

Ситаллы — это результат управляемой кристаллизации, когда термическая обработка стекла и введение в него специальных компонентов дают мелкозернистую и равномерную структуру из микрокристаллов тугоплавких минералов. Вкраплениям минералов ситаллы обязаны высокой термостойкостью, а особая микроструктура обеспечивает им большую прочность. Эти достоинства могут сочетаться с высокими диэлектрическими свойствами: твердостью, стойкостью к износу и целым рядом других свойств, которыми не обладает ни один из известных человеку материалов.

Правда, применяемые сейчас в технике ситаллы— это довольно дорогие продукты, которые получают на базе высококачественных стекол с введением подчас дорогих компонентов.

Подлинного расцвета ситаллургии следует ожидать лишь с переходом на более дешевые виды сырья. Пути такого перехода уже намечены. Учеными нашей страны разработаны и внедряются методы получения очень дешевых стекол и ситаллов из доступных горных пород и отходов металлургического производства — доменных шлаков.

Если бы химии удалось освободить ситаллы от главного недостатка, унаследованного ими от стекла,— хрупкости, низкой пластичности и малой стойкости к ударным нагрузкам, человечество получило бы универсальные материалы, заменяющие металл.

Конечно, проблема получения пластичных неорганических материалов чрезвычайно сложна. Но не исключено, например, что в результате химической модификации силикатов из них удастся получить пластичные нитевидные структуры, а может быть и неорганические полимерные материалы. Есть и другой путь решения проблемы неорганических полимеров — он связан с успехами сравнительно молодой отрасли, возникшей на стыке химии органической и неорганической. Речь идет о кремнийорганике.

Кремнийорганические полимеры — это вещества, в органическую молекулу которых включены неорганические составляющие — атомы кремния. Соединения кремния широко известны высокими термостойкими качествами. Свою термостойкость кремний в значительной степени передает полимерам. Однако пути дальнейшего прогресса в этой области лежат, видимо, через получение полимерных материалов с чисто неорганическими цепями молекул.

Обозревая фронт химических материалов, мы, естественно, подошли к самому популярному и наиболее обещающему классу веществ— органическим полимерам. Успехи химии в синтезе этих материалов настолько велики и так широко известны, что нет нужды останавливаться на них подробно. Хотелось бы только сказать о том, как при помощи синтетических продуктов облагораживаются, возрождаются к новой жизни старые заслуженные материалы, испокон веков служащие человеку. Например, дерево. Горючее, легко поддающееся гниению и теряющее со временем пластичные качества, дерево, казалось, должно было безвозвратно отойти в наши дни на задний план. Но этого не случилось. Синтетические покрытия и различные пропиточные вещества превращают сегодня дерево в материал гибкий, прочный, негорючий, стойкий к действию воды, долговечный.

Подобно древесине получили новую жизнь и природные волокна. Специально пропитывающие и закрепляющие химические вещества удлинили их век, сделали их стойкими и прочными. А метод прививок синтетических полимерных структур к природному полимеру — целлюлозе позволил получить ткани и волокна с совершенно новыми ценными свойствами: бактерицидными, ионообменными, полупроводниковыми.

Химия не случайно встала на путь облагораживания природных полимеров — как бы далеко мы ни ушли по пути синтеза новых веществ, забывать о богатых дарах растительного мира было бы непростительным. Ежегодно природа поставляет нам новые запасы сырья. Если вспомнить, с каким трудом удается искусственно получать органические продукты и как просто, экономично воспроизводятся они природой, то становится ясно, что человек еще долго будет пользоваться продукцией этой без устали работающей «фабрики». Больше того, как бы грандиозно ни было это производство, мы всегда будем стремиться расширить его, сделать его еще рентабельнее. В первую очередь это касается продуктов, в которых человечество нуждается больше всего — пищевого и технического сырья.

Внося удобрения в землю и окуривая сады, человек издавна стремился помочь природе в ее неустанном воспроизведении растительного мира. Химизация сельского хозяйства уходит своими истоками в глубокую древность. И, став однажды на этот путь, человек невольно начал вторжение в заповедный мир органической жизни. Вчера он делал это интуитивно, сегодня— сознательно. Но хотя производство химических продуктов для сельского хозяйства успело превратиться в мощную индустрию, мы еще только учимся управлять процессами, происходящими в природе. А наши знания о сущности этих процессов пока очень далеки от желаемой точности.

Не менее важно и еще более сложно познание процессов и явлений, происходящих в живом организме — самом совершенном создании природы. И в то же время он представяет собой не что иное, как результат очень сложных и многообразных химических процессов. Ясно, что именно химии предстоит искать разгадку основных секретов жизнедеятельности.

Еще в прошлом веке немецкий химик Вёлер синтезировал мочевину — так было доказано, что человек может искусственным Путем получать простейшие продукты обмена веществ в живом организме. Стала ясной окончательная несостоятельность витализма — учения о каких-то сверхъестественных силах, управляющих жизненными явлениями. Но за истекшие полтора столетия наше знание о том, как совершается этот процесс обмена, что управляет быстрыми и наредкость рациональными реакциями, определяющими его ход, продвинулось не слишком далеко. Мы научились распознавать структуры сложных белковых молекул и в какой-то мере умеем проследить последовательность происходящих в организме химических процессов. Но наша осведомленность об этих молекулах и процессах сопоставима пока лишь со знаниями учеников начальных классов. Наконец, мы уже приступили к расшифровке химизма наследственных изменений, но многие законы управления наследственностью все еще остаются для нас тайной...

Когда станут известны все законы, управляющие живым организмом, тогда не только проблемы медицины, биологической приспособляемости, проблемы управления ростом растений и животных,— многие задачи техники и энергетики можно будет решать на основе совершенно иных принципов.

Сегодня нам волей-неволей приходится мириться с несовершенством существующих технологических методов перед лицом природы — она работает не только эффективнее, рациональнее, экономичнее, но пока и на принципиально иной основе.

Сложной аппаратуры, высоких давлений и температур требуют сегодня многие реакции химического производства, начиная с промышленных процессов получения азотных удобрений из воздуха и кончая процессами превращения серы в серную кислоту. А между тем, и азот и сера легко вступают в реакции при обычной комнатной температуре, если при этом присутствуют определенные виды бактерий — носителей ферментов, этих активных катализаторов всех жизненных процессов. Мы заслуженно считаем большим достижением науки синтез ряда белковых веществ. Но в искусственных условиях этот процесс отнимает многие месяцы, а в живом организме благодаря деятельности ферментов протекает очень интенсивно, регулируется очень тонко и точно.

Если взглянуть на удивительные свойства живого организма с позиций химической технологии, то откроются заманчивые перспективы создания биохимических машин и источников энергии на принципах живого организма.

Познавая законы сложных химических превращений живого организма и заглядывая в будущее, 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 хам будет служить источником энергии, сам будет передавать ее или потреблять для реализации каких-либо процессов. Физика сегодняшнего дня уже дает нам примеры, подтверждающие правомерность такого предположения. Кристаллы и даже отдельные молекулы с успехом используются сегодня в качестве передатчиков и преобразователей энергии — полупроводники заменяют сложный «механизм» электронной лампы, а рубин и другие вещества в лазерах превращают получаемую ими энергию в концентрированный пучок световых лучей. И что самое главное, процессы преобразования обусловливаются при этом только внутренней структурой самого материала.

Мне хотелось на отдельных примерах показать, насколько важной стала роль, которую играет сегодня химия в различных областях человеческой деятельности, и как предстоит еще этой роли возрасти в будущем.

Все мы связываем с химической наукой дальнейший прогресс в познании окружающего нас мира, новые методы его преобразования и усовершенствования. И не может быть в наши дни специалиста, который сумел бы обойтись без знаний о химии.

Поэтому особенно важно, чтобы все более широкий круг людей вовлекался в ее сферу, знакомился с ее возможностями, настраивался на химическую волну. И решению этих задач должен помочь новый журнал «Химия и Жизнь».

Я хочу пожелать ему хорошей, полнокровной, неспокойной творческой жизни.