Александр Колпаков - Холод в реторте

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

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

К счастью, в замороженном веществе «мишени» как раз ориентированы строго геометрически. Хуже дело с «яблочками». Они несколько не совпадают. Нельзя ли их совместить? На первый взгляд кажется, что при низких температурах молекулы не расшевелить: они совершенно «застыли». Но исследования последних лет (методом ядерного магнитного резонанса) убедили ученых, что прежнее представление о жесткости, незыблемости структуры твердых тел неверно. Например, вращение метильных групп (СН 3) в «замороженных» углеводородах обычно почти полностью «разморожено» уже при температуре жидкого азота — минус 196 градусов. То есть они могут вращаться. И это вращение молекул позволяет, «пуле» проскочить через все «яблочки».

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

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

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

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

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

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

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