Глазами Монжа-Бертолле

Обычный окислительно-восстановительный процесс — это классическая химическая реакция, которая сопровождается перестройкой молекулярной структуры. Такая перестройка осуществляется по двухвалентному механизму. Иными словами, в окислительно-восстановительном процессе электроны удаляются или присоединяются парами. Это связано с тем, что все стабильные органические соединения содержат четное число электронов.

Взять, к примеру, горение углеводов. Реакцию (CH2O) + O2 = СО2 + H2O можно изобразить иначе, привлекая на помощь двоеточия Льюиса:

Какие бы перестройки молекулярных архитектур ни происходили, всегда валентные штрихи — как прежние, так и новорожденные — подразумевают пару взаимодействующих электронов. Формально подобные процессы можно рассматривать как обмен электронными парами. И хотя мы приписываем к уравнению реакции «плюс 112 килокалорий», совершенно не ясно, каким образом этот энергетический «довесок» может трансформироваться в энергию мышц или мозга.

Иное дело одновалентный перенос. В нем участвует только один электрон. Это слабый электрический ток. И он не обязательно связан с разрушением атомных построек. Вспомните хотя бы хлорофилл! Отдавая или присоединяя электроны поодиночке, его молекула сохраняет свою индивидуальность и стабильность. Конечно, на промежуточных стадиях одновалентного переноса электрона мы встречаемся с классическими химическими реакциями. Например, когда ТПН переходит в восстановленную форму ТПН—H. Или АТФ образуется из АДФ и фосфорной кислоты. Но как бы то ни было, процессы, которые изображаются символически в виде полукруглой стрелки, направленной книзу, сводятся к странствиям одного электрона. К падению его со ступеньки на ступеньку, когда он отдельными порциями отдает свою энергию, к слабому электрическому току.

Однако, сколь бы слабым ни был этот ток, он возникает не только внутри молекулы. Между молекулами тоже! Значит, можно все-таки решить главную проблему, которая стоит перед конструкторами органических полупроводников: найти способ, как переправлять электрон от молекулы к молекуле. Выходит, не обязательно надставлять полимерные молекулы новыми звеньями, пока они не достигнут гигантских размеров? Не обязательно сшивать полимерные цепочки? Но тогда совершенно необходимо разобраться в механизме межмолекулярного переноса энергии и электронов. Каков же он, этот механизм?

Между двумя молекулами может установиться резонансная связь. Электронное возбуждение отдаленно напоминает колебания маятника. Роль пружины играет электромагнитное поле. И существует определенная вероятность, что энергия возбуждения может перекочевать от молекулы к молекуле. Для этого необходимо лишь, чтобы соседи более или менее тесно соприкасались. Но именно такой контакт и обеспечит взаимное зацепление молекулярных колец, предложенное Томсоном!

Правда, пока что речь шла о передаче энергии. Скажем, энергии фотона. И только. Перебросить электрон — совсем иное дело. Даже если он унесет с собой возбудивший его кусочек света — фотон.

Переход электрона от одного вещества к другому обычно считают реакцией окисления — восстановления. Однако квантовая химия отграничивает от них одноэлектронный перенос заряда.

В органических соединениях электроны расквартированы на ступеньках-орбитах попарно. И парами же перебираются с квартиры на квартиру — с молекулы на молекулу. Происходит химическая реакция. А перенос заряда означает, что один из электронов молекулы способен при удобном случае очутиться на орбите соседней молекулы. Такой переход не влечет за собой перестройку молекул.

Так, выходит, межмолекулярный электрический ток все-таки существует? Не таким ли путем надо идти творцам полупроводниковых материалов?

Безусловно, нужно, чтобы молекулы близко пришвартовались друг к другу. И чтоб их электронные облака перекрывались. Только в таком случае может возникнуть межмолекулярный «блок», когда одноэлектронный донор связан с акцептором одного электрона. «Комплексом с переносом заряда» назвали его.

Причем опять-таки следует подчеркнуть, что здесь донорно-акцепторное взаимодействие понимается совершенно иначе, чем в классической теории комплексообразования. Там имеется в виду передача неподеленной пары электронов. У Сент-Дьердьи — одного электрона.

Комплекс с переносом заряда — нечто среднее между обычной молекулой и свободным радикалом. И распадается он на два самых настоящих свободных радикала, то есть на два «обломка», у каждого из которых по одному неспаренному электрону.

Представление о переносе заряда широко распахивает двери в биологию перед идеями полупроводимости.

С другой стороны, исследуя внутриклеточные полупроводники, ученые отыскивают пути к созданию синтетических органических полупроводников. Уже установлено, что пленки донорных молекул, нанесенные на слои молекул-акцепторов, проявляют сильный фотоэлектрический эффект!

Нет, не пропасть отделяет молекулы друг от друга — ров. Но еще много придется поработать, прежде чем удастся перекинуть мостик через этот ров, чтобы создать единую энергоцентраль, которую инженеры назовут органическим полупроводником. Потечет, обязательно потечет электричество по гектарам полимерных пленок, по волокнам нашей одежды, по защитным покрытиям самолетов и ракет. Удивительный ток, который уже сейчас питает своей энергией наши чувства и мысли, любые движения нашего тела, нашей «души». Ток, порожденный улыбкой доброго старого Солнца. И этот ток, выполняющий в биосфере любые работы, не способен лишь к одному — быть выраженным в понятиях классической химии.

«Странствующий электрон относится к миру изменяющихся форм и распределений в электронных облаках, которые принадлежат субмолекулярной биологии, управляемой законами квантовой механики».

Так пишет в своем «Введении в субмолекулярную биологию» Сент-Дьердьи. Глубокий старик, он с юношеской увлеченностью доказывает, что применение тяжелой математической артиллерии помогает биологам победоносно брать Бастилию за Бастилией. Биолог, воспитанный в традициях старой школы, он сумел на склоне лет отрешиться от классических представлений и принять на вооружение новые идеи. Пионер квантовой биологии, он отлично видит трудности, которые подстерегают каждого, кто решит последовать за ним в многотрудный, но увлекательный поход.

«…у входа в науку, как и у входа в ад, должно быть выставлено требование:

„Здесь нужно, чтоб душа была тверда;

Здесь страх не должен подавать совета“».

Сент-Дьердьи говорит:

«Переходя к новой области, я всегда надеялся овладеть интересующим меня предметом. В случае квантовой механики я даже не надеюсь на это. Отсюда и мои опасения… Должны ли биологи допускать, чтобы их вытесняли из этого мира электронных явлений только из-за того, что они не знакомы с тонкостями квантовой механики? Сейчас число исследователей, овладевших обеими науками — биологией и квантовой механикой, очень мало. Учитывая ограниченные возможности ума человека и ограниченную продолжительность его жизни, можно думать, что это число никогда и не будет очень большим. Каждая из этих наук требует всего ума человека и всей его жизни. Таким образом, по крайней мере в настоящее время для развития науки необходима некая гибридизация разных специальностей.

По моему мнению, во всяком случае сейчас, наилучшее решение заключается не в превращении биологов в физиков и наоборот, а в их сотрудничестве. Для этого не обязательно, чтобы биологи сами проникали во все тонкости квантовой механики. Им достаточно найти общий язык с физиками и интуитивно овладеть основными идеями и ограничениями квантовой механики, чтобы быть в состоянии наметить для физика проблемы и понять смысл его ответов. Точно так же физику лучше оставаться на своей стороне пропасти, чем превратиться в, быть может, второразрядного биолога. Если, например, я как биолог интересуюсь энергетическими уровнями какого-нибудь вещества и если мне говорят, что его наивысший уровень характеризуется определенным значением коэффициента k, равным, скажем, 0,5, то я могу исходить из этих данных. Мне достаточно знать, что означает k, равное 0,5, и мне нет нужды точно знать, как было получено это значение. В обмен я могу указать физику, для каких веществ вычисление коэффициента может представлять особый интерес».