Химия завтра

И уже родилось новое, неизвестное до сих пор вещество. Предсказана была, а затем и создана еще одна разновидность чистого углерода. Ее назвали карбином. Если алмаз — полимер с пространственным строением молекул, графит — с плоским строением, то карбин — линейный полимер. В природе его не нашли. Этот неорганический полимер — дело рук человека. Он оказался превосходным полупроводником и отличным материалом для фотоэлементов.

Для неорганики открытие полимерного строения многих веществ — шаг к созданию совершенно фантастического количества новых соединений с самыми неожиданными свойствами.

Синтез неорганический возьмет лучшее из мира углеродных молекул и придаст им качества, для органики недостижимые, что совершенно понятно. У углерода есть не только достоинства, но и недостатки. Как только воспользовались кремнием, появилось семейство теплостойких материалов.

Пластмасса горюча, к этому мы привыкли. Но ведь она может быть и негорючей! Цепи неорганических молекул должны составить основу жаростойкого полимерного материала. Тогда появятся обшивки для космических кораблей и самолетов, «вечные» автомобильные шины и жаростойкие химические реакторы.

Уже есть полимерный бесцементиый бетон. Уже есть неорганические волокна — стеклянные и базальтовые, и не только бетон, но и цемент и другие стройматериалы.

Теперь неорганическим синтезом заменяют природный. И самое тугоплавкое из всех нам известных веществ уже не природное, а синтетическое. Первенство по твердости держит уже не естественный алмаз, а искусственный боразон. Негорючий каучук без углерода, очень прочное волокно из соединений серы — вот первые новинки химии неорганических полимеров.

Фтороорганика означает стойкие против воды, огня, излучений, легкие и прочные материалы. А кроме того, это материалы для атомной и атомноракетной техники, техники полупроводниковой и лазерной.

Это и автомобиль будущего. О нем пишет американский ученый Дж. Саймонс. «Фтороорганические соединения смогут улучшить наши автомобили. Фтороуглеродное смазочное масло не надо заменять свежим. Жидкий фтороуглерод заменит антифриз и никогда не даст ржавчины. Шины из фтороуглеродных каучуков совершенно не будут портиться, и их не надо будет менять. Обивочная ткань на сиденьях будет огнеупорной и не боящейся пыли. Охлаждающей жидкостью из радиатора можно будет загасить пламя, если все же машина загорится. У автомобиля — фторопластовый корпус. II двигатель будет у него не поршневой, а газотурбинный. Вращать турбину будут пары фтороуглерода…»

Ученые выяснили, что бор может образовывать необычные соединения с водородом — не с целыми, а с дробными связями. И поэтому в молекуле диборана, например, один атом водорода связан сразу с двумя атомами бора, а бор имеет четыре связи вместо положенных ему, трехвалентному, трех.

Поиски лучших ракетных топлив привели к открытию и более сложных бороуглеродо-водородных построек — барена и необарена. Они замечательны своей необычной химической структурой. В молекуле барена, например, углерод оказался шестивалентным, что несказанно изумило химиков.

Барен и необарен — бороорганические соединения, первые из этого вновь открытого класса. Они чрезвычайно устойчивы, не боятся ни нагрева, ни сильных окислителей. В будущем они послужат основой для получения ряда веществ, применение которых полностью сейчас предугадать еще невозможно.

Говоря о металлоорганике, химики имеют в виду такие ее перспективы, как полимер легче воды, прозрачнее воздуха и прочнее стали. Им видится полимер, который может служить преобразователем энергии: он будет поглощать энергию космических лучей и превращать ее в тепло или свет.

Металлоорганика открыла новый, ранее неизвестный вид соединений: два углеродных цикла, две конструкции из атомов, расположенных в вершинах многоугольников, — и между ними атом металла. Металл соединяет их, образуя очень прочное вещество. Он зажат между циклами, как начинка в сандвиче между двумя ломтями хлеба. Свойства его неожиданны: марганцевый «бутерброд» — отличный антидетонатор, бутерброд с железом — ферроцен — очень прочен и послужил родоначальником новых красителей.

Сандвич-соединения представляют загадку для классической химии. В ферроцене, например, железо получается вроде бы десятивалентным! Видимо, здесь действуют какие-то пока незнакомые нам закономерности.

Требования к материалам будущего многогранны, и универсальную синтетику создать невозможно. Все же химия стремится к сочетанию качеств, которые природа не может объединить.

В дополнение к старому, давно всем известному стеклу химия, например, создаст новые, поистине чудо-стекла.

Уже есть совершенно небьющееся стекло. Оно так прочно, что даже тонкий стеклянный лист нельзя разбить сильным ударом. Тяжелый стальной шар отскочит от него как мячик.

Появится стекло прочнее металла — в стеклянной капсуле можно будет опуститься даже на дно глубочайшей океанской впадины, где давление более тысячи атмосфер.

А ситалл — новый материал, родственник стекла — выдерживает давление, которое не выдерживает сталь. К тому же он не боится кислот и высокой температуры, не растрескается, если его после нагрева опустить в воду.

Из стекла пока что не делают рельсы и станки, но лишь пока… Когда появится ковкое и пластичное стекло, то и это станет возможным.

Стекло с пленочным покрытием, защищающее от солнца, стекло с электропроводящей пленкой, отапливающее помещение…

Большое будущее также и у старого знакомого — кварцевого стекла, чрезвычайно прочного и пропускающего ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Еще одно применение стекла, о котором не подозревали даже фантасты. Предполагают, что из стекла удастся, возможно, изготовить светопроводы. По каналам из стекловолокна с отражающими стенками будут передавать изображения и даже свет, выработанный мощными генераторами — лазерами. Свет транспортируется, почти не ослабляясь и, конечно, не выходя наружу. Так можно будет со светостанций подавать освещение в дома и на заводы. Более того, свет подберут нужного состава и оттенка — скажем, дневной и вечерний — и централизованно доставят потребителям, которым тогда не понадобятся громоздкие осветительные электроприборы.

Действительность догнала, а во многом и перегнала фантастику об искусственных материалах. Непромокаемые, немнущиеся, сверхпрочные и так далее, и тому подобное… Если говорить об одежде, то теперь ее без химии уже трудно представить. Вот лишь несколько примеров — и известных, и малоизвестных.

Белые рубашки и платья, к которым не пристает грязь, — вместо стирки их надо только прополоскать в воде. Куртки и пальто из заменителей кожи легкие и удобные. И выходная и рабочая одежда, которая отлично защищает от холода. Одежда, в которой можно не бояться огня, воды, кислот и щелочей. Ткань, к которой не пристает никакая грязь, даже масло. Ткань из пустотелого химического волокна, которая согревает не хуже, чем ватная подкладка. Антимикробные костюмы для врачей и медсестер. Лечебное белье для больных. «Складные» плащи, косынки, куртки, береты, тренировочные и даже вечерние костюмы — все это умещается в кармане.

Ткани, окрашенные синтетическими красками, которые придают одежде яркий, нарядный вид. И, наконец, одежда специального назначения, для тех, кто работает на переднем крае науки — атомников, космонавтов, а в недалеком будущем — подводников (гидронавтов).

Химия, и только химия даст полимеры легкие, прочные, стойкие, эластичные, выдерживающие десятки тысяч градусов тепла и холод, близкий к абсолютному нулю; материалы магнитные и полупроводниковые, материалы, меняющие свои свойства.

Армированные пластики, которые будут прочнее металла и легче его по крайней мере в несколько раз, Полимеры-ионообменники, которые будут очищать любые вещества, извлекать ценные элементы из растворов. Полимеры, которые будут сверхпроводниками и при обычной температуре.

Полимерный каучук, полностью заменяющий натуральный, эластичный, но теплостойкий.

Химические волокна не хуже натуральных и дешевле их; волокна негорючие, негниющие, волокна-ионообменники и полупроводники. Пористые полимерные ткани. Химически обработанный, немнущийся хлопок.

Искусственные волокна, которые будут лучше природного асбеста и помогут пустить в оборот запасы бросового каменного сырья. Полимерные краски, стойкие и яркие; разноцветные волокна, которые не надо красить, они окрашены сами по себе, и цветная синтетика.

Химически обработанная негниющая и негорючая древесина.

Полимерные туманы и дымы, защищающие поля и сады от морозов.

Обивочные полимерные покрытия, не боящиеся пыли.

Полупроводники сейчас очень дороги, и они работают пока только в приборах и радиоэлектронной аппаратуре. Полупроводники сейчас — сверхчистые вещества, а добиться сверхвысокой чистоты — труднейшая задача.

Иное дело, если полупроводник полимерный. Более дешевый, потому что сырья для него пока вполне достаточно, потому что получать его оказалось бы проще и сделать из него удастся что угодно — и ткани, и пленки, и волокна, и порошки. Решилась бы проблема мощных преобразователей света и тепла в электроток.

Среди полимерных полупроводников есть и такие, которые могут служить катализаторами. Вот прекрасный материал для стенок химических реакторов! Но живая клетка — тоже реактор. И, создавая искусственные полимеры, мы тем самым делаем шаг к живой природе, учимся у нее и разгадываем ее загадки.

Это — полимеры самого ближайшего будущего. Это заказ, который химия начинает выполнять уже сегодня. И он показывает, что химия действительно сможет удовлетворить самого прихотливого заказчика.

Синтетическая ткань должна быть не только прочной, но и красивой. Синтетические волокна надо окрасить. Дело, казалось бы, несложное: заготовка для полимерных волокон представляет собой расплав, жидкость. Добавить туда краску — что может быть проще?

Однако… Жидкость может быть горячей — значит, краситель должен быть теплостойким. Волокно и краситель — оба детища химии — не должны вредить друг другу. И, наконец, ткань носят, а значит, стирают и гладят.

Если волокно выдерживает все это, должна выдержать и краска. От красителя требуется, кроме того, чтобы он не выцветал на свету и не линял.

Хотя созданы многие тысячи красителей, такого идеального сочетания качеств нет ни в одном. Далеко не для всех искусственных тканей подобраны подходящие красители.

На палитре у художника несколько чистых тонов. Из них он составляет все нужные ему оттенки. А сколько таких основных цветов должно быть в палитре химии? Пока их приходится создавать много.

Но обходятся же полиграфия и цветное кино всего тремя красками — желтой, голубой и пурпурной. Может быть, и для химических волокон хватит той же тройки?

«Если такую идею удастся осуществить, это будет настоящей революцией и в химии красителей, и, главное, в производстве полимерных изделий — красивых, долговечных», — говорит советский химик Е. П. Фокин.

Еще одна задача для создателей полимерного мира.

Сверхпроводящий полимер? Проводник, который проводит ток без потерь, и к тому же при комнатной температуре? Может ли существовать подобное чудо?

Ведь известно, что сверхпроводимость в металлах наступает лишь при сверхнизких температурах. Для электропередач это не годится — линию пришлось бы охлаждать жидким гелием, что на Земле, конечно, совершенно невозможно. Поддерживать глубокий холод удалось бы только в космосе, но там вряд ли понадобилось бы тянуть провода для передачи энергии.

Фантасты до сих пор мечтали лишь об аккумуляторах из сверхпроводников, где запасалась бы электроэнергия от космических гелиостанций. Такой энергосклад можно было бы переправлять на Землю, защитив его жидким гелием.

А теперь химия предлагает иное решение — пригодное для земных нужд. Теория предсказывает возможность создания полимерного сверхпроводящего материала. Он будет сверхпроводником при комнатной, а может быть, и более высокой температуре. Это — реальное будущее, но оно кажется нам теперь столь же удивительным, как мечта фантаста. Каким же оно видится ученым?

Передача энергии без потерь — совсем без потерь! Сверхмощные электромагниты. Электрические машины, работающие практически вечно. Новые совершенные ускорители частиц и счетно-вычислительные устройства. Это пока не слишком удивляет. А дальше?

Сверхпроводниковые электромагниты будут парить на своеобразной подушке, образованной магнитным полем. «Пассажиры и груз проносятся без трения над дорогой со сверхпроводящим покрытием, как на ковре-самолете; или представим себе катание на магнитных лыжах по сверхпроводящим склонам…» Такую картинку рисует американский физик профессор А. Литтл.

Очень многого ждет от химии космонавтика.

Вот заметка о настоящем; она рассказывает о том, что есть уже сегодня.

В пакете — порошок. По обеим сторонам его — горючие слои. Их поджигают, и материал начинает вспучиваться от тепла, и вырастает… палатка или домик.

Не наводит ли она на размышления о будущем — о домах, которые растут на наших глазах «сами по себе»?

Подобные дома могли бы найти применение при возведении построек на Луне. Конструкцию их пришлось бы сделать несколько иной. Заготовкой послужила бы ткань, пропитанная синтетической смолой. Она мягкая, и ее легко уложить в пакет. Если затем пустить раздувающий газ, то дом примет нужную форму, скажем, шара. А далее газообразный же катализатор заставит смолу превратиться в твердый полимер.

В перспективе — пластмассы, способные служить одновременно и конструкцией и горючим. Из них можно будет сооружать баки для двигателей космических кораблей.

Поиски новых полимеров и сплавов тем более нужны, что в космосе материал должен работать и при высоких и при сверхнизких температурах, в вакууме и невесомости.

Диапазон применений химических материалов обширен. Из специального пластика можно изготовить «липкую» обувь для космонавта и облицовку кабины космического корабля: человек сможет спокойно ходить, будучи невесомым.

Силиконовым полимерам не страшна радиация, они не теряют эластичность при температурах даже близких к абсолютному нулю и не боятся также температур высоких, не проводят электроток — вот, видимо, один из перспективных материалов для космического скафандра.

И еще одно: космонавтов надо обезопасить от «чужих» микробов, если они встретятся на незнакомых планетах. А это вполне вероятно — микробная жизнь вездесуща! Поэтому для изготовления одежды космонавтов будет использована бактерицидная ткань. В молекулы такой синтетики введут вещества, убивающие бактерии и грибки.

Если на какой-нибудь планете встретятся окислы азота, то космонавтам понадобятся противокислотные костюмы, ибо это ядовитые вещества, которые, соединяясь с водой, дают азотную кислоту.

Выдвигалась химическая гипотеза природы Марса. Не придает ли ему красноватый цвет двуокись азота? Не состоят ли белые шапки у полюсов из твердой четырехокиси? С потеплением края шапок превращаются в тяжелый рыжий газ, который ползет к экватору. Появляются и зеленые пятна из-за других окислов азота. Пыльные бури тоже могут быть обязаны своим происхождением азотным соединениям, которых в теплое время становится больше. И вот в такой необычной обстановке — если подобное предположение верно — можно было бы высадиться только в кислотоупорном скафандре.

Атмосферы планет-гигантов содержат аммиак и метан. Поэтому, чтобы защитить лабораторию-автомат, предназначенную для разведки такой планеты, понадобятся материалы, на которые не действовали бы агрессивные газы.

«Лунная архитектура — это зарытые в грунт жилые и рабочие помещения, подземные — вернее, подлунные — залы с серебристыми сводами, переходящими в неестественно тонкие колонны, легкие металлические зонты и навесы над входами и площадками для транспорта, огромные, сияющие на солнце спины аэростатических конструкций над строительными площадками и горными выработками, необычные формы оранжерей, тончайшие и высокие мачты радиосвязи».

Таким представляется облик лунных поселений архитекторам. Чтобы претворить их проекты в жизнь, от химиков потребуется, прежде всего, синтетический материал для куполов, армированные пластики для опор и легкие сплавы для навесов и мачт. Понадобится и новое остекление для оранжерей — пропускающее ультрафиолетовые лучи, стойкое против радиации и микрометеоритной бомбардировки.

Внутреннюю обшивку для подлунных помещений тоже устроят из надувных элементов. Такие конструкции удобно доставить на Луну, удобно и собрать из них станцию — если, конечно, пленки будут легкие, тонкие и прочные. Под надувными куполами люди смогут обходиться без скафандров. Если же все-таки метеорит его пробьет, то будет время перейти в другие этажи. Пробоину в куполе нетрудно заделать.

Вернемся из космоса на Землю.

«Бесспорно, люди в XXI веке будут одеты только в синтетические ткани, будут иметь обувь, изготовленную из искусственной кожи, и шубы из синтетического меха, будут окружены предметами, сделанными из искусственных материалов» — так пишет академик А. Н. Несмеянов.

Очень любопытно прикинуть, сможет ли природа обеспечить химию сырьем для создания «второй природы». Ведь уже примерно через четверть века полимерных материалов будут производить едва ли не меньше, чем стали, и потребности химии очень велики.

Но всего пяти, быть может, шести процентов добываемой сейчас нефти для этого вполне хватило бы. Да и химия завтра научится использовать нефть с большей выгодой, чем теперь. Если и не тонна на тонну, то, во всяком случае, больше половины ее сумеют превратить в полимеры.

К тому же разве одна нефть — сырье для «второй природы»? К ней надо добавить уголь, торф, природные газы. Сюда же добавится древесина и всевозможные отходы.

Уносятся в воздух, выливаются в воду, выкидываются, сжигаются, по всякому уничтожаются колоссальные ценности. Растранжириваются десятки, если не сотни миллионов рублей. Нет, химия будущего положит такому расточительству конец.

Химия войдет в каждое производство, даже далекое от химического, чтобы не дать пропасть появляющимся там отходам. Отходы, отбросы — само слово говорит, куда им была дорога. Была, а дальше не будет!

Ведь в них часто оказываются и ценнейшие редкие элементы, за которыми ныне охотятся с большим трудом. В них — драгоценные металлы, золото и серебро. В них — заготовки для удобрений, для пластиков, для стройматериалов. И притом все это, если прикинуть в масштабах страны, — не говоря уж целого мира! — выражается огромным тоннажем.

Цех химии подключится к фабрике или заводу, к теплоэлектроцентрали, превратив их в комбинат — химикометаллургический или энергохимический.

Сырье для химии поставляют и будут поставлять все земные оболочки, все стихии — земля, воздух, вода. Сырьем для нее станут и всевозможные горные породы, и зеленая масса растений, и магма глубочайших недр, и газы атмосферы.

Быть может, глубоко под землей находится настоящий рудный пояс, который обеспечит нас на многие века и медью, и цинком, и свинцом, и оловом, и другими элементами.

Быть может, из газов, скопившихся там, из вод, которым помогут выбраться на поверхность, станут извлекать нужные химикам вещества.

Атмосферного химического сырья хватит на необозримые времена. Азота в воздухе столько, что на каждый гектар поверхности Земли его приходится около тридцати миллионов тонн! Внушительны числа и для кислорода, и для некоторых редких газов, И недаром академик Ферсман говорил об атмосфере как грандиозном, практически неисчерпаемом источнике химического сырья.

Близок локоть, да не укусишь. Эта пословица как нельзя лучше приложима к океану. И, пожалуй, ничто так не привлекало воображение, как возможность добычи золота из морской воды. Блеск желтого металла виднелся многим в голубизне вод. В каждой капельке его растворено столько, что весь Мировой океан подарил бы каждому жителю Земли слиток в четыре тонны! И это число совершенно реально. Дело только за тем, чтобы найти дешевый способ извлечь близкое, да недоступное богатство.

До сих пор все попытки оставались неудачными. И вот, наконец, химия обещает в будущем верный путь. Ионообменные смолы — иониты — способны выловить из раствора ничтожно малые количества вещества, вплоть до последней молекулы, отсеять только то, что нам нужно, поймать неуловимое, затерянное среди бесчисленного множества молекул.

Водоросли и специально выведенные морские животные, жадно поглощающие золотые атомы, послужат «живой рудой». Но фантасты прошли мимо другого богатства, которое, пожалуй, даже дороже золота. Это редкие, рассеянные элементы, крайне нужные технике. Их, несомненно, станут извлекать из морской воды.

На каждого жителя Земли приходится почти по половине кубического километра морской воды. Вот что кроется за этим.

Шестьдесят тонн серебра, сто тонн тория и молибдена — тоже на душу населения! Можно добавить, что растворенных в Мировом океане солей хватило бы, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем сорокапятиметровой толщины. Пятьдесят тысяч триллионов тонн! Запасов хватит на многие века.

К тому же всего элементов в таблице Менделеева — без трансурановых, неустойчивых, — примерно вдвое больше, чем открыто в морской воде. Можно думать, что есть в ней и другая их половина, она только ускользала от химиков до сих пор. Просто здесь оказываются бессильными современные методы химического анализа. А так как чувствительность его все возрастает, то со временем найдутся в морской воде и остальные элементы. Даже если их опять-таки будет крайне мало, в пересчете на весь Мировой океан получится солидный результат.

Океан содержит во много раз больше элементов, чем все, вместе взятые, известные сейчас месторождения суши. Вот где поистине необозримое поле деятельности для химии будущего!

Постепенно опустошаются залежи полезных ископаемых в верхних «этажах» нашей планеты. Все дальше вглубь уходят нефтяные скважины и шахтные стволы. А в недалеком будущем геологам придется забираться в глубокие недра в поисках многих металлов и других нужных людям элементов.

Но как добыть то, что запрятано в десятках километров под поверхностью Земли? Ведь там невозможно устроить шахту или рудник, даже если работу поручить автоматам. Слишком сложно, слишком дорого и — что весьма существенно — ненадежно. Да и как поднимать со столь больших глубин многие тысячи кубометров породы?

Понадобится нечто принципиально иное, и его даст химия, которая поможет добывать из-под земли только полезное.

Пользуясь растворителями, она руду переведет в раствор; пользуясь электричеством, из раствора извлечет металл. Уголь она превратит в газ, некоторые минералы — в пар. А с жидкостью, газом и паром обращаться куда легче — их можно заставить подниматься по скважинам. Куда легче и переработать такое сырье.

Поглощать атомы только одного сорта могут некоторые бактерии. Они «выедают» серу — и появляются серные залежи, они накапливают и другие элементы. Они могут добывать золото из золотоносных пород. Возможно, что конкреции — куски железомарганцевой руды, в изобилии разбросанные по дну океанов, — тоже работа бактерий, Так почему бы не использовать их работу и не создать с помощью невидимок искусственные минеральные склады на глубинах, а бедные месторождения превратить в богатые?

Меньше недели нужно одной бактерии, чтобы потомство ее заняло объем, равный всему Мировому океану, — если все новорожденные остались бы в живых. Быть может, удастся вывести такие их виды, которые будут размножаться еще быстрее и, главное, еще лучше извлекать растворенные в воде элементы?

Да и не одни только бактерии, вероятно, смогут извлекать для нас химические богатства из воды. Этим займутся и морские животные, в чьих телах тоже накапливаются, причем избирательно, многие элементы. Есть среди них такие, в крови которых ванадия в миллиард раз больше, чем в морской воде. И уже есть питомники, где с квадратного метра получают полтораста килограммов этих животных — настоящей живой руды.

Металлургические, металлохимические, биохимические обогатительные фабрики заработают в недрах земли. И — никаких фабрик в обычном смысле слова, никаких машин, никаких перевозок и никаких отходов! Химия, физика, биология, геология вместе: для такого союза уже родилось новое слово — геотехнология, и ей предстоит атаковать недра.

* * *

Многого добьется химия еще до конца XX века. А что будет потом, каких новых успехов от нее можно ждать после 2000 года, сейчас трудно предвидеть. Скажу словами знаменитого французского химика Марселена Бертло: «Власть химии безгранична…» Власть, позволяющая людям творить вторую природу для людей.

ФАНТАСТЫ ПРЕДЛАГАЮТ…

Крутая спираль светится на солнце миллионами опалесцирующих стен из пластмассы, фарфоровыми ребрами каркасов из плавленого камня, креплениями из полированного металла. Каждый виток постепенно поднимается к центру, и на головокружительной высоте висят легкие мосты, балконы и выступы садов. Вертикальные ниши разделяют массивы зданий. И нет среди них ни одного, фасад которого не открыт полностью солнцу, ветрам, небу и звездам…