Холод в реторте

Александр Колпаков

ХОЛОД В РЕТОРТЕ

У алхимиков Юпитера

На Юпитер я попал перед окончанием профтехучилища: обычная преддипломная практика — Не стоит, видимо, описывать путешествие туда. Кто не знает, как оно происходит?

Начну с того, что я очутился где-то на седьмом небе, а точнее — в атмосферной лаборатории тамошних химиков. Обыкновенное «летающее блюдце» с гектар размером. На нем намонтирована уйма установок синтеза. Реакторы всякие, трубопроводы, холодильники, компрессоры, пушки ионизирующих излучений. Словом, все как полагается — Снуют толпы лаборантов, техников, операторов. А командует парадом благообразное существо, чем-то смахивающее на нашего декана Михаила Давыдовича. Лицом, конечно. А вместо рук у него восьмерка симпатичных щупальцев.

Вхожу на «блюдце» и направляюсь прямо к Мих Даву (так его, оказывается, зовут наши ребята, работающие здесь, — сходство с деканом не одному мне в глаза бросилось). Представился ему, беседуем. Мимо с бешеной скоростью мчатся аммиачно-метановые турбулентные вихри. Далеко внизу тяжело плещется аммиачный океан. Крепкий морозец! Градусов девяносто ниже нуля Цельсия… На краях «блюдца» навалом лежат глыбы твердого аммиака, чуть подальше — бруски аммиачного глицина (так здесь называют одну из наших земных аминокислот, только атомы кислорода в ней заменены на группу NH).

— Обязанности ионизатора знакомы? — спросил Мих Дав. Я деловито кивнул.

— Вопросов нет?

— Пока нет.

— Ну, тогда принимайтесь за работу.

Манипуляторы перемешали глыбы аммиака и аммиачного глицина. Сверху все это посыпали ледяной крошкой — смесью аммиачных серина и аланина, потом спрессовали в увесистый ледяной кристалл. Мих Дав энергично махнул двумя верхними щупальцами — и я включил ионизирующую пушку. Поливаю кристалл гамма-квантами, только дымок легкий курится! И на глазах вся эта ледовая масса начинает оживать, пучиться, как тесто, пока не образовался живой аммиачный белок. Вот от него стали отрываться толстые колбаски. Шмякнувшись на транспортер, они тут же исчезали в пасти синтезатора. А с противоположного конца реактора — там, где бодро бежал конвейер, — уже соскакивали готовые изделия. Биороботы.

Мих Дав зычно скомандовал, и биороботы, построившись в колонну по два, вниз головой прыгали прямо в аммиачный океан.

— С ходу включаются в строительство подводных… то бишь подаммиачных городов, — пояснил Мих Дав, поймав мой вопрошающий взгляд.

Но, я чувствую, вы мне не очень верите. Думаете, все это фантастика чистой воды (или, по крайней мере, чистого аммиака). Вовсе нет. Во всяком случае, юпитерианская «технология» синтеза имеет под собой некоторую научную основу. В том смысле, что и у нас, на Земле, вполне возможны химические реакции при морозе градусов в восемьдесят — сто пятьдесят, а то и в двести с лишком.

Рифы и мели «ледяной химии»

Химические реакции при низких и сверхнизких температурах? До самого последнего времени ученые относились к этому крайне скептически. Вот цитата из солидной монографии: «Проведение синтезов при низких и сверхнизких температурах нецелесообразно из-за чрезвычайно малых скоростей реакций, обусловленных резким уменьшением фактора е−E/kT» (для очень любознательных: этот фактор еще называют «активационным множителем». Здесь Е — энергия активации, k — постоянная Больцмана, е — основание натуральных логарифмов, Т — абсолютная температура в градусах Кельвина. Этот множитель определяет способность молекул участвовать в химических реакциях).

Дело в том, что не все столкновения между молекулами приводят к химическому взаимодействию. Хорошо, если из миллиона молекул только сто или двести способны к взаимодействию. А способны те, которые обладают некоторым избытком энергии. Чтобы стать «эффективной», молекула должна сначала запастись энергией.

Как же увеличить долю «эффективных» молекул? Ответ прост: увеличь численное значение множителя е−E/kT. Например, повышением температуры. Кроме того, «ленивые» молекулы можно «подстегнуть» гамма-лучами, светом, рентгеном, электрическими разрядами. Однако эти способы представлялись бесперспективными для возбуждения реакций при низких и сверхнизких температурах, когда доля эффективных молекул ничтожно мала и почти все реагенты — твердые.

И все же в последние годы положение изменилось, интерес к «ледяным реакциям» возрос необычайно. Это связано с успехами химии так называемых стереорегулярных полимеров. Обычные полимеры состоят из цепей молекул, расположенных как попало. Структура таких полимеров при большом увеличении напоминает бурелом. Но может быть и иная картина: молекулы как бы сложены в штабели. При этом полимер приобретает удивительные свойства: по прочности не уступает стали, выдерживает «натиск» самых сильных кислот, не поддается большим температурам. Получить стереорегулярный полимер нелегко. В поисках наилучших условий синтеза экспериментаторы перебрали различные комбинации давлений, температур, катализаторов. И натолкнулись на поразительное явление: полимеры, синтезированные при низких температурах, приобретают очень ценное качество — стереоспецифичность. Это значит, что в цепи полимера регулярно повторяются не только одни и те же сочетания атомов, но даже их пространственная ориентация. Другими словами, молекулы не прост уложены в штабель, как бревна, но еще и каждое «бревно» по отношению к соседям занимает вполне определенное положение. В структуре такого полимера царит столь строгий порядок, что само собой напрашивается сравнение с инженерной конструкцией. Упорядоченность молекул в стереорегулярных полимерах лежит на пределе, за которым простирается уже область перехода неживой материи в живую. А это означает, что у нас появляется возможность вплотную подойти к синтезу, например, искусственных белков.

Стереорегулярными полимерами занята сейчас целая армия химиков. И вот уже результат: направленный синтез стереорегулярных полимеров позволил решить важнейшую химическую проблему века — получить поли-цис-изопреновый каучук, равный по свойствам или превосходящий натуральный продукт. Не лишне вспомнить, что попытки синтеза такого каучука предпринимались чуть ли не с середины XIX века.

Игла для сшивки полимеров

Может быть, вы слышали такой термин: радиолиз, радиационная полимеризация? Он появился несколько лет назад. Как явствует из самого названия, при этом виде полимеризации «сподогрев» частиц (их активизацию) производят электромагнитными квантами, ионизирующими излучениями. Что же происходит, когда вещество подвергают действию радиации? Гамма-кванты создают в веществе активный химический центр. И подобно игле, с огромной скоростью «прошивают» цепочку молекул. Полимерная молекула образуется «одним махом», без всяких побочных процессов.

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».