Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

В 1621 году Себастьен Бассон пришел к сходным представлениям. Он был богословом, регентом коллегии в Дофине. Интересуясь происхождением и строением вещества, он поначалу изучал древние источники, предшествующие Аристотелю, стало быть, более близкие ко времени сотворения мира и, значит, заведомо более достоверные. Бассон изучил доводы атомистов, доказывавших, что материя непрерывна и состоит из атомов, и решил проверить эти утверждения на опыте, для чего влил тонкой струей немного вина в воду. Вино растворялось и постепенно расходилось по большому объему воды, что, по мнению атомистов, доказывало — вещество делится на частицы. Решив, что вещество состоит из первичных частиц, Бассон тоже заговорил о минимумах. Его минимумы, однако, состояли из тех же четырех стихий, и один минимум отличался от другого долей в его составе тех или иных стихий. Еще он решил, что минимумы собираются в частицы второго порядка, а те — в частицы третьего порядка, и т. д., и эти скопления частиц мало-помалу приобретают вид и размеры тех предметов, которые мы видим вокруг себя. Так родилось представление о молекуле — то есть о мельчайшей частице некоторого вещества, которая, однако, построена из других частиц (стихий или элементов). Правда, само слово «молекула» (molecula) появилось много позже, в 1636 году, из-под пера Пьера Гассенди: этот французский священник присоединил суффикс — кула к слову «моль», означавшего тогда то, что теперь обозначается словом «масса», чтобы перевести слово «частица» в писаниях Диогена Лаэртского — того места, где Диоген рассказывает о философе-атомисте Эпикуре (но древнегреческая молекула совсем не похожа на молекулу, которую мы знаем сегодня).

Молекулы, пусть тогда и бывшие чистым предположением, сильно разволновали ученых, занимавшихся наукой о материи. Антуан Лавуазье (1743–1794) показал, что вещество сохраняет свои свойства — он говорил о тождественности — в любом состоянии: парообразном, жидком или твердом. Водяной пар, вода и лед состоят из одного и того же вещества, только молекулы, которые его образуют, выстраиваются по-разному, в зависимости от конкретного физического состояния. Лавуазье был большим мастером «молекулизации мира»:[14] концепция молекулы еще только развивалась и развертывалась, и лишь к концу XVIII века она утвердилась настолько, что ученые понемногу начали объяснять наблюдаемые явления, прибегая к понятию «молекула».

В XIX веке наука о материи продвигалась вперед так успешно, как никогда ранее. Англичанин Джон Дальтон догадался, что вещество состоит из атомов с разными массами и атомы объединяются в молекулы — так в первый раз прозвучало правильное описание материи. Итальянский химик Амедео Авогадро вскоре показал, что в двух герметичных сосудах одинаковой величины, если в них поддерживаются одно и то же давление и одинаковая температура, содержится одно и то же количество молекул (приблизительно 27 тысяч миллиардов миллиардов, 27 X 1023, молекул на литр), какой бы газ ни содержался в сосуде: молекула приобрела телесность, вещественность, можно сказать, стала осязаемой. Но ученые по-прежнему говорили на разных языках. Так, Авогадро обсуждал свойства не атомов, а «элементарных молекул», зато Джон Дальтон называл молекулы «сложными атомами». В 1860 году в Карлсруэ собрался большой конгресс, чтобы прояснить ситуацию и договориться о терминологии. После ожесточенных споров химики все же согласились принять ряд основополагающих определений, которые почти в неизменном виде в ходу и поныне. Среди прочего было утверждено и различение между атомом и молекулой (группой атомов).

С этого времени умножились попытки определить физические размеры молекулы, само существование каковой, честно говоря, все еще оставалось чистой гипотезой. Австрийский ученый Йозеф Лошмидт (1821–1895) вычислил диаметр «молекулы воздуха»: получилось 9,69 x 10-7 мм, то есть 0,969 наших нынешних нанометров, что, конечно, совершенно замечательно… вот только нет никаких таких молекул воздуха[15]. Английский физик лорд Кельвин (1824–1895), воспользовавшись иным методом, оценил размеры атомов цинка и меди в 0,1 нм. Порядок величины верен. Задолго до этого Бенджамин Франклин (1706–1790) предложил эксперимент, позволивший, пусть на сто с лишним лет позже, рассчитать размеры молекулы. Франклин, как и многие другие, заметил, что растительное масло не смешивается с водой, а образует на ее поверхности тонкую пленку. Положим, что толщина пленки — одна молекула, тогда разделив объем разлитого масла на площадь образовавшегося пятна пленки, получим размер молекулы масла — порядка нанометра (этот опыт и теперь показывают школьникам и студентам).

Однако на протяжении всего XIX века химиков сильно смущала одна загадка, с которой они то и дело сталкивались: некоторые вещества, состоявшие из, казалось бы, одинаковых молекул, выказывали совершенно разные свойства. Почему это? Что же это такое получается? Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус предположил: «Быть может, в будущем эту [тайну] прояснит изучение пространственной формы [молекул]». И назвал эти ставящие в тупик химические соединения «изомерами». Его гипотеза оказалась верной: в 1875 году химики Якоб Ван Гофф и Жозеф Ле Бель обнаружили, что связи атома углерода направлены из центра атома к вершинам некоторого тетраэдра. Молекула оказалась трехмерной, то есть занимающей в пространстве определенный объем. Следовательно, две молекулы, составленные из одинаковых атомов, способны по-разному располагаться относительно друг друга, и, если конфигурации молекул различны, то и их свойства будут разными. Немецкий физик Рудольф Клаузиус показал, что архитектура молекулярных конфигураций не слишком жестка: атомы совершают небольшие колебания, даже в твердом теле. В 1890 году молодой немецкий химик Герман Заксе пошел дальше, обнаружив, что архитектура молекул еще и не так уж постоянна, она может искажаться, словно обладая «гибкостью» или пластичностью. В конце концов, на исходе XIX века, молекула обрела примерно тот облик, который мы приписываем ей и теперь: этакий скелетик из атомов, ответвления от которого, да и он сам, могут менять свое положение в пространстве, принимая те или иные формы.

Ученые наконец смогли понять множество наблюдаемых макроскопических явлений, объясняя происходящее поведением молекул. Но вот незадача: никто никогда не видел ни единой молекулы — уж слишком они малы, настолько, что ни в один микроскоп не углядишь. Так что по большому счету молекула оставалась гипотезой, и немало ученых людей, в том числе и самых прославленных, отказывались признавать саму концепцию молекулы. Например, несгибаемый Марселен Бертло, сильный человек, и не только выдающийся ученый, но еще и государственный муж, один из самых влиятельных деятелей своего времени (профессор Коллеж де Франс, член Академии наук, занимал посты министра просвещения и министра иностранных дел), считал само представление о молекуле вздорным измышлением и приклеил к нему ярлык «мистической концепции». Но после 1908 года отрицать молекулы стало неприлично, так как в том году французский физик Жан Перрен представил неоспоримые экспериментальные доказательства их существования.

В 1871 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл вызвал настоящую культурную революцию, которая, правда, поначалу осталась незамеченной. Ученый придумал — или вообразил — некую сущность, или существо, или невесть что еще, но это что-то — или кто-то — умел измерять скорость каждой молекулы газа, заключенного в некотором сосуде. Значит, этот демон Максвелла, как его окрестили позднее, действительно должен быть очень маленьким. И ему по силам не только «следить» за молекулами, разбегающимися во все стороны, но и еще как-то сортировать их — по скорости: вялых в одну сторону, резвых — в другую. И если запустить этого чертенка в объем вещества, температура которого — комнатная, то он затолкает половину молекул, медленных, на одну сторону (там получится холодная сторона), а вторую половину молекул, горячих, — на другую (там будет раскаленный угол). Получается, что температура напрямую зависит от скорости молекул. Построения Максвелла — всего лишь мысленный эксперимент, грубо говоря, игра воображения, но, придумав своего «демона», ученый тем самым предложил новое понимание того, что творится на молекулярном уровне. В 1870-е годы молекула, можно сказать, обрела некий уже различимый облик. Понятно, что о каких-то молекулярных устройствах тогда и думать было нечего, и никто даже не заикался о проектировании, тем более производстве подобных приборов. Демон Максвелла никуда не делся, с ним охотно забавлялись творцы термодинамики, но естественно вытекающая из представления о демоне идея молекулярного двигателя была забыта — на добрые сто лет.