Глава 7 Мал золотник, да дорог

Жил-был ученый. Звали его Гемфри Дэви (1778–1829). Он открыл натрий, калий, кальций, магний, стронций, барий и бор, явление электролиза и электрическую дугу, установил элементарную структуру хлора, предложил электрохимическую теорию химического сродства и тем самым заложил теоретические основы химии, а еще открыл “веселящий газ” – закись азота, долгое время использовавшийся в качестве наркоза при медицинских операциях, изобрел безопасную рудничную лампу и многое другое. Когда на склоне лет его спросили, какое из своих открытий он считает главным, Дэви ответил: “Я открыл Фарадея”.

Красивая легенда. Сегодня мы вкладываем в историческую фразу совсем не тот смысл, что Дэви, который делал, несомненно, ударение на слове “я”. Ему и в кошмарном сне не могло присниться, насколько ученик превзойдет учителя. Но именно так и случилось; Дэви, великий ученый и гениальный провидец, по сути оказался прав. Англичанин Фарадей – один из немногих ученых, чье имя знают во всем мире. Он – самый знаменитый из всех представленных в этой книге исследователей природы. И один из главных предтеч нанотехнологий.

Майкл Фарадей родился в 1791 году в пригороде Лондона в семье кузнеца. Из-за бедности он смог получить только начальное школьное образование, а в 13 лет пошел работать, сначала разносчиком книг и газет, затем подмастерьем в книжную лавку, где овладевал переплетным ремеслом. В этом “университете” Фарадей пробыл семь лет, с жадностью прочитывая все переплетаемые им книги. Наибольшее впечатление на него произвели статьи по электричеству в Британской энциклопедии и книга Джейн Марсе[29] “Беседы о химии”. Под их влиянием Фарадей стал посещать научно-популярные лекции в Городском философском обществе и воспроизводить увиденные и описанные опыты в домашней лаборатории, экономя буквально на всем. Вероятно, именно тогда выработался минималистский стиль экспериментов Фарадея. “Немного проволоки и несколько старых кусков дерева и железа дают ему возможность делать величайшие открытия”, – писал со смесью удивления и восхищения великий немецкий естествоиспытатель Герман фон Гельмгольц (1821–1894).

В двадцать один год Фарадей закончил обучение в лавке и получил звание мастера. Тут ему посчастливилось попасть на лекции Гемфри Дэви в Королевском обществе. И лекции, и сам лектор произвели на юношу неизгладимое впечатление, что предопределяло всю его последующую жизнь. Позже Фарадей вспоминал: “Желание уйти из торговли, которую я считал порочным и эгоистичным занятием, и посвятить себя служению науке, которая, как я представлял себе, делала своих последователей добрыми и свободными, заставило меня наконец сделать смелый и наивный шаг: написать письмо сэру Дэви”. К просьбе взять его на работу Фарадей приложил оригинальный подарок – сделанный им конспект лекций Дэви в искусном кожаном переплете. (Этот трехсотстраничный манускрипт до сих пор бережно сохраняется в Королевском обществе.) Дэви встретился с соискателем, поблагодарил за подарок, но просьбу отклонил.

Не было счастья, да несчастье помогло. При очередном взрыве в лаборатории Дэви поранил глаз, и ему потребовался помощник для записи результатов опытов. Тут он и вспомнил о Фарадее, о его хорошем почерке, аккуратности и готовности выполнять любую работу. Майкл приступил к своим обязанностям 1 марта 1813 года, а уже осенью Дэви предложил Фарадею сопровождать его в европейском турне, которое продлилось два года. Это была далеко не увеселительная поездка, по крайней мере для Фарадея. Он играл роль Фигаро: записывал мысли мэтра, таскал многочисленные баулы, чистил одежду и гулял с мопсом “мадам”. Но при этом жадно впитывал содержание бесед Дэви с Ампером, Вольтой, Гей-Люссаком и Шеврёлем, схватывая их мысли на лету, изучал хитроумные приборы в их лабораториях и помогал Дэви ставить его собственные эксперименты.

Один из них вошел в историю науки. Во Флоренции Дэви впервые доказал, что алмаз представляет собой чистый углерод. Для этого пришлось сжечь несколько алмазов, включая крупный бриллиант из перстня герцога Тосканы, но – наука требует жертв. В сущности, Дэви воспроизвел опыт средневековых флорентийских ученых, внеся в него существенное изменение. Он со своим валетом[30] помещал алмаз в заполненный кислородом стеклянный сосуд, запаивал его, а затем фокусировал на алмазе солнечный луч; алмаз при этом “испарялся”, а единственным веществом, которое удавалось обнаружить в сосуде, был углекислый газ.

По возвращении в Лондон Дэви стал доверять Фарадею проведение некоторых экспериментов, поручал ему самостоятельные исследования и способствовал публикации его первых научных статей. Все чаще случалось, что промышленники, не рискуя беспокоить сэра Гемфри, обращались к его помощнику с просьбой разрешить возникшие у них проблемы. Одна из них хорошо знакома и нам в наше высокотехнологичное время: железные изделия, увы, ржавеют. Подход, использованный Фарадеем при решении этой проблемы, характерен для всего его научного творчества: “наблюдать, изучать и работать”. Он шел от наблюдения: железные метеориты, хранившиеся в Британском музее, не ржавели. Фарадей провел их химический анализ и обнаружил значительную примесь никеля. Затем он ввел никель в расплав железа и получил то, что мы сегодня называем нержавеющей сталью. Аналогичный эффект наблюдался и при введении в железо других металлов, в частности хрома. Но, к сожалению, заказчик умер и результаты испытаний легли на полку на долгие десятилетия – для Фарадея это был незначительный эпизод, и он не занимался “торговлей” своими научными открытиями.

Дэви с Фарадеем еще проводили совместные исследования, но Дэви, естественно, слово “совместные” в голову не приходило, он был босс, а Фарадей – его помощник. Одно из этих исследований касалось сжижения газов. Идея для того времени была нетривиальной. Жидкость – это жидкость, а газ – это газ. Любая жидкость при испарении переходит в пар (или разлагается), но ниоткуда не следовало, что любой газ можно превратить в жидкость. Дэви придумал очень изящный экспериментальный прием, в результате чего им удалось получить жидкий хлористый водород.

Через несколько лет, развивая эти работы, Фарадей впервые получил в жидком состоянии хлор, сероводород, аммиак, диоксид азота, углекислый газ, этилен.

Споры из-за приоритета – самые жестокие в научном мире, особенно когда они происходят в паре учитель-ученик. Самая большая кошка, пробежавшая между Дэви и Фарадеем, носила имя электромагнетизм. В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851) опубликовал небольшую работу “Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку”. Работа привлекла внимание Дэви. Поразительно все же было устроено мышление ученых прошлого! Едва прочитав первое, довольно туманное сообщение о новом и неожиданном явлении, Дэви принялся размышлять ни много ни мало о том, как на его основе сделать двигатель, и даже выполнил со своим старинным другом Уолластоном[31] некоторые опыты, впрочем неудачные.

Фарадей принимал участие в их дискуссиях и, в свою очередь поэкспериментировав, заставил-таки проволочку непрерывно вращаться в поле магнита при пропускании через нее электрического тока от батареи. Так он изобрел то, что сейчас называют униполярным электродвигателем. В эйфории от собственного открытия Фарадей опубликовал полученные результаты, не поставив об этом в известность старших товарищей. Дэви пришел в ярость, грянула буря, надолго отбившая у Фарадея охоту заниматься электромагнетизмом.

В 1824 году Фарадея практически единогласно избирают членом Королевского общества. Нет сомнений, что единственный черный шар положил президент общества Гемфри Дэви, до голосования активно призывавший академиков отклонить кандидатуру Фарадея. Вскоре Дэви оставил занятия наукой. Работа с вредными химическими веществами подорвала его здоровье, он уехал лечиться в Швейцарию и в 1829 году, едва перевалив пятидесятилетнюю отметку, скончался. Звание первого английского химика перешло к Фарадею.

Именно так. Мы привыкли считать Фарадея великим физиком, но в его научной биографии был длительный “химический период”, он сделал ряд важнейших открытий в химии и, кстати, за эти работы был избран в 1830 году почетным членом Петербургской академии наук. Поразительно, но многие открытия он делал как бы походя, откликаясь на просьбы друзей, знакомых и промышленников и не придавая им, открытиям, большого значения.

Вот, например, история, произошедшая во времена, когда Лондон переводили на газовое освещение. Газ тогда получали из угольных шахт и собирали в железные баллоны, которые устанавливали в подвалах домов. Жители к новшеству относились настороженно, Вальтер Скотт язвительно писал, что теперь Лондон будет освещаться “угольным дымом”, да и сам Гемфри Дэви сомневался в жизнеспособности проекта. Но главная проблема заключалась в том, что с газом при перевозке что-то происходило и он уже не светил так ярко. В 1824 году промышленники попросили Фарадея разобраться в этом. Он довольно быстро установил, что в состав газа входят частицы, усиливающие его свечение при горении, но при перевозке и хранении осаждающиеся на стенках баллона в виде летучей маслянистой жидкости. Из нее Фарадей выделил новое вещество, которое заняло одно из центральных мест в теории и практике химии. Это был бензол. Фарадей установил состав бензола, споры же о строении этой простой молекулы продолжались, как мы помним, более столетия. Фарадей изучил некоторые химические свойства бензола и действием хлора получил из него гексахлоран. Эта реакция фигурирует во всех школьных учебниках. Он вообще первым получил хлорсодержащие органические соединения.

На следующий год Фарадей выполнил первый анализ каучука. Сок гевеи южноамериканские индейцы использовали с незапамятных времен, в Европе же патент на получение из него тканей для дождевиков получил в 1823 году шотландский предприниматель Чарльз Макинтош. При этом никто не знал, что представляет собой сок гевеи, – технологии и тут опережали науку. Макинтоша интересовало, с чем же он имеет дело, и он обратился за помощью к Фарадею. Тот установил, что сок гевеи на треть состоит из некоего вещества, собственно каучука, которое является “действующим началом”. Это вещество включало углерод и водород, оно было углеводородом, как и парафин. Фарадей довольно точно определил его состав – он соответствовал молекуле, которую мы сегодня называем изопреном. Ничего больше о строении каучука Фарадей сказать тогда просто не мог.

По просьбе своего друга Джона Гершеля[32] Фарадей создал тяжелое (свинцовое) боросиликатное стекло с очень хорошими оптическими свойствами для применения в телескопах. В отличие от многих других его исследований, эта работа заняла много времени – около пяти лет.

И наконец, Фарадей создал новый раздел науки – электрохимию, которая в наше время имеет неисчислимые технологические применения, от источников питания наших мобильных телефонов и ноутбуков до блестящих бамперов автомобилей. Собственно, работы по электролизу, действию электрического тока на вещество, начал Дэви, это позволило ему стать мировым рекордсменом по количеству открытых химических элементов, которые он получал электролизом расплавов щелочей и солей. Но именно Фарадей стал заниматься электролизом водных растворов, установил количественные законы электролиза и с подачи Уильяма Уэвелла[33] внедрил знакомые всем нам термины: ион, катион, анион, катод, анод, электрод.

“Физический период” в жизни Фарадея, гораздо более известный, многократно и подробно описанный, начался лишь после смерти Дэви. В 1831 году Фарадей вернулся к своему давнему опыту по электромагнетизму и практически мгновенно открыл явление электромагнитной индукции. Две проволочки, накрученные на железный штырь, – с этого незамысловатого устройства, хранимого в музее Королевского общества, началась вся современная электротехника. Но что подвигло Фарадея собрать эту конструкцию, пропустить электрический ток через одну проволочку и проверить, а не появляется ли ток в другой? Непостижимый ход мысли! Гений – одно слово. По той же категории проходят опыты по возникновению электрического тока при движении магнита внутри кольца из проволоки. После этого кажется вполне естественным, что Фарадей быстро создал первый электрогенератор, прообраз динамо-машины, хотя практической реализации идеи пришлось ждать довольно долго, первый патент на динамо-машину получил Вернер Сименс в 1867 году, он же предложил и термин.

Фарадей изучал воздействие магнитов на самые разные вещества, что привело его к открытию диамагнетиков и парамагнетиков и соответственно явлений диа– и парамагнетизма. Свет согласно теории Ньютона, все еще удерживавшей господствующее положение в оптике, тоже представлял собой поток материальных частиц-корпускул, так что Фарадей изучил воздействие магнита и на него. Он пропускал поляризованный свет, открытый незадолго до этого в 1808 году французским физиком Этьенном Луи Малюсом, через созданные им свинцовые стекла и обнаружил, что под действием магнита плоскость поляризации света поворачивается. Так Фарадей получил первое свидетельство электромагнитной природы света, что привело к созданию теории Максвелла и смене парадигмы в физике.

Многие историки науки и биографы любят противопоставлять этих двух ученых, говоря, что Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) был гениальным мыслителем, описавшим электромагнитные явления точными математическими формулами, а Фарадей – “всего лишь” эмпириком, экспериментатором, пусть и лучшим в истории человечества. Современники зло шутили, что открытия Фарадея являются следствием его недостаточного образования, многие ученые заносчиво говорили о слабости математической подготовки Фарадея, которая ограничивалась начальными сведениями по тригонометрии и алгебре (что ж тут поделаешь, следствие тяжелого детства и юности!), да и мы, помнится, с улыбкой смотрели на “наивные” рисунки Фарадея с изображением силовых линий магнитного поля и восхищались изящной красотой уравнений Максвелла.

Но, как говорят художники, он так видел. И это видение помогало Фарадею проникать в суть явления, мы же, всецело полагаясь на математические уравнения и формализованные компьютерные расчеты, практически утратили эту способность. Да и что считать математикой? Сам Максвелл, например, к “наивным” рисункам Фарадея относился уважительно и называл их математикой очень высокого уровня, которую оценят лишь в будущем.Благодаря особенностям своего мировосприятия Фарадей видел связь вещей и явлений. Он довершил дело, начатое Франклином, и окончательно доказал, что между различными “видами” электричества, статическим, искусственным, “животным” и т. д., нет никакой разницы. Он утвердил связь между электрическими и магнитными явлениями, между электрическими и химическими процессами, между магнетизмом и оптикой. Фарадей способствовал созданию целостной картины мира, а точнее говоря, он видел эту картину во всем ее единстве и величии и смог донести это видение до нас. Что же касается вклада Фарадея в теорию, то об этом лучше всего сказал не кто иной, как Альберт Эйнштейн: “Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”. В работах Фарадея впервые возникло понятие поля , именно эту идею Эйнштейн считал самой оригинальной у Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона.Самое поразительное, что все эти эксперименты и открытия Фарадей делал в одиночку. В лаборатории ему помогал отставной солдат, человек рукастый и исполнительный, но совершенно чуждый науке. Учеников же и ассистентов у него не было. Возможно, Фарадей руководствовался тем, что от учеников одни проблемы, он сам был учеником и хорошо знал, чем все заканчивается. Но за пределами лаборатории Фарадей увлеченно занимался преподавательской деятельностью и популяризацией науки. Он прочитал огромное число публичных лекций с непременными демонстрациями экспериментов, в чем он был истинным виртуозом. Кстати, его цикл из шести лекций под названием “Химическая история свечи” издается до сих пор. Это поистине классика научно-популярного жанра.

Не менее известны в Англии того времени были и его воскресные проповеди, собиравшие множество людей из самых разных слоев общества, включая его коллег-ученых. Фарадей был глубоко верующим человеком и принадлежал к одной из самых ортодоксальных сект англиканской церкви – сандиманианской. В 1860 году он даже стал ее старейшиной. Как в одной голове могли укладываться занятия естественными науками и буквальная вера в тексты Ветхого Завета, понять трудно, но Фарадей все это прекрасно совмещал и, более того, считал, что вера в Бога помогает ему лучше проникать в тайны мироздания. Наверно, все дело в том, что он был гением, у гениев голова по-другому устроена.

Многолетние напряженные занятия наукой и общественной деятельностью привели к тому, что Фарадей просто-напросто надорвался, уже в пятидесятилетнем возрасте у него начались нелады с памятью. “Шесть недель работы для того, чтобы получить эти результаты, – записал он как-то в дневнике. – Самое скверное то, что, просматривая свои старые заметки, я обнаружил, что все эти результаты были уже получены мною восемь месяцев назад. Я совершенно о них забыл”.

12 марта 1862 года Фарадей сделал свой последний эксперимент. Все они были тщательно запротоколированы и пронумерованы. Последний имел номер 16041 – фантастическая производительность! Напоследок он переплел свои лабораторные журналы – пальцы помнили дело.

Он прожил еще пять лет. Они с женой не нажили ни детей, ни состояния. Поднявшись из низов в члены Королевского общества, Фарадей стал джентльменом, а, согласно тогдашним воззрениям, джентльмену не пристало получать деньги за занятия наукой. Даже если исследования проводились по заказу – “по просьбе” – промышленников. Подарки допускались – на усмотрение просителя. Но даже от многих таких работ Фарадей отказывался, предпочитая возиться с не сулящими никакой практической выгоды проволочками и магнитами. Ему еще повезло, что принц Альберт, муж королевы Виктории, восхищенный лекциями Фарадея, подарил ему дом в королевском поместье близ Лондона. Никаких других средств существования у четы Фарадеев не было. Как неоднократно говорил сам Фарадей: “Из праха вышел и в прах возвратишься, – и неизменно добавлял: – Бытие, 3: 19”.

Однако какое все это имеет отношение к нанотехнологиям? Можно было бы просто сказать, что Фарадей заложил основы современной физики и химии, открыл электрические, магнитные и оптические явления, без которых немыслимы нанотехнологии во всех своих многочисленных приложениях. Но я хочу сузить ответ и сосредоточиться лишь на одном эксперименте Фарадея, выполненном в 1847 году и продемонстрированном широкой публике в 1858 году на лекции “О связи золота со светом”.

Посмотреть действительно было на что. Фарадей растворил золото в царской водке и затем вновь восстановил его до металла фосфором. Частички металла были настолько малы, что их невозможно было разглядеть даже под микроскопом, они свободно плавали в растворе, который казался абсолютно прозрачным. А самое главное – он был вишнево-красным. Небольшое изменение условий восстановления, и вот уже перед зрителями представала взвесь “синего” золота. То, что это именно металлическое золото, показывал анализ осадка – “черни”, которая со временем выпадала из раствора. Если же Фарадей добавлял в раствор желатин, то прекрасные красные и синие растворы сохранялись неизменными на протяжении недель и месяцев. Еще тогда Фарадей предположил, что цвет золотых частиц зависит от их размера. Он был первым, кто получил в лаборатории наночастицы металла, и он же первым обнаружил так называемый размерный эффект .

Я не случайно оговорился: в лаборатории. Дело в том, что “цветное” золото было известно на протяжении веков, если не тысячелетий. С его помощью окрашивали стекла еще в Древнем Риме, затем на его основе делали витражи средневековых соборов, сохранивших свои яркие краски до наших дней. В XVI веке знаменитый алхимик и врач Парацельс использовал “питьевое” золото для лечения заболеваний – он считал его необходимым компонентом “эликсира жизни”. В XVII веке полагавшийся утерянным рецепт изготовления витражей был заново открыт гамбургским стеклодувом Андреасом Кассием. “Кассиев пурпур” получали восстановлением растворов соединений золота хлоридом олова, при его введении в расплавленную стеклянную массу получали великолепное “рубиновое стекло”, равномерно окрашенное по всему объему. “Кассиев пурпур” использовали также в росписях по стеклу и фарфору для создания всех оттенков красного – от слабо-розового до ярко-алого.

При желании историю нанотехнологий можно проследить в глубь веков, где они существовали в виде ремесла. Заслугой Фарадея было то, что он впервые посмотрел на это с точки зрения науки.

Я специально не использовал термины “золи золота” и “коллоидный раствор”, ведь они появились уже после экспериментов Фарадея. В свою очередь эти работы в значительной мере инициировали развитие коллоидной химии. Именно с золей золота начал через сорок лет после Фарадея свои исследования австрийский ученый Рихард Адольф Зигмонди (1865–1929), получивший за них в 1925 году Нобелевскую премию по химии. Зигмонди определил размер частиц золота, на учился получать золи с узким распределением частиц по размерам, самых разнообразных цветов – красного, зеленого, синего, фиолетового, коричневого, даже черного и установил, что частицы размером до 10 нанометров имеют красный цвет, а по мере увеличения размера частиц до 80 нанометров цвет постепенно сдвигается в синюю область. Были изучены также различные способы стабилизации золей золота.

В начале 1970-х годов наночастицы золота начали использовать в биохимии и медицинской диагностике. Дело в том, что некоторые аминокислоты, формирующие белок, содержат в своем составе серу, а сера обладает большим сродством к золоту. Таким образом, белок легко и прочно соединяется с золотой наночастицей. Это был один из первых примеров конструирования на наноуровне – целенаправленной сборки сложного объекта из наноразмерных блоков разной природы. Размер используемых при этом частиц золота был меньше размера белков, то есть прикрепляемая металлическая гирька выступала в качестве метки белка.

Здесь оказалось чрезвычайно полезным еще одно свойство золота. Экспериментальная техника того времени, и в первую очередь электронные микроскопы, не позволяла разглядеть сам белок, но прекрасно видела металлические частицы, причем чем тяжелее атомы металла, тем лучше разрешение. Тяжелое золото идеально подходило для целей визуализации белков, а точнее говоря, поведения белков, их перемещения в организме, концентрирования в каких-то частях клетки, связывания с другими биологическими объектами.

После провозглашения эпохи нанотехнологий наночастицы золота оказались в центре внимания. Благодаря их легкой доступности и хорошей изученности ученые стали совать их куда ни попадя и при этом, случалось, попадали точно в цель. Новостные ленты СМИ запестрели сообщениями об открытии новых уникальных свойств наночастиц золота и об их практическом использовании, реализованном или потенциальном. Золото наряду с углеродом стало одним из главных химических элементов нанотехнологий.

Золото также очень любимо популяризаторами нанотехнологий. Золото на слуху и известно всем, это вам не какой-нибудь экзотический арсенид галлия (который, между нами говоря, для современной техники в целом и нанотехнологий в частности поважнее золота). Кроме того, на примере золота чрезвычайно удобно объяснять основные принципы нанотехнологий. Действительно, при переходе от массивного золота к наночастицам мы наблюдаем кардинальное изменение свойств: на несколько сотен градусов уменьшается температура плавления, изменяются оптические характеристики вещества, а именно – цвет и его химические свойства – “благородное” золото превращается в довольно активный металл. Все это яркие и убедительные примеры возникновения новых качеств при переходе на наноуровень, проявления необычных и неожиданных свойств нанообъектов. После этого можно плавно перейти к рассказу о нанотехнологической революции.

Но вот о чем популяризаторы частенько забывают сказать: что все это давным-давно известно и “неожиданные” свойства наночастиц давно являются для специалистов, в первую очередь химиков, прописной истиной. Я вам попытаюсь объяснить все это на пальцах. Только пойдем мы к наночастицам не от массивного металла, а от атомов, так намного понятнее. К тому же это больше соответствует реальности. Ведь как получал золи золота Фарадей и как их продолжают получать в наше время? Ионы золота в растворе восстанавливают до атомов, которые затем самоорганизуются в наночастицу металла.

Возможно, для вас станет откровением, что атом золота – очень активная частица. Это общее свойство всех атомов, за исключением атомов инертных газов. Атомы способны пребывать в одиночестве только в вакууме или при очень низкой температуре, во всех остальных условиях они норовят вступить во взаимодействие с другими веществами окружающей среды или слипнуться с себе подобными, в этом смысле их поведение мало отличается от нашего. В школе об этом не рассказывают, не из злонамеренности, а за ненадобностью. Ведь химики имеют дело с веществом, с молекулами, атомы как химические реагенты стали использовать в технологиях сравнительно недавно, в конце 1960-х годов и для довольно экзотических целей. Чего об этом говорить?

При взаимодействии между двумя атомами образуется химическая связь, при этом выделяется энергия, соответственно энергия атомов уменьшается, они становятся “спокойнее”, как люди при вступлении в брак. Запомним это и начнем мысленно собирать наночастицу из атомов. Для этого возьмем один атом золота и облепим его со всех сторон слоем других атомов. Если мы сделаем это достаточно аккуратно и максимально плотно, то в этом слое окажется 12 атомов. Размер атома золота – 0,286 нм, таким образом, полученная нами частица имеет размер 0,86 нм, из 13 составляющих ее атомов 12, или 92,3 %, находятся на поверхности. Будем продолжать эту операцию. Когда мы нарастим третий слой, размер частицы достигнет 2 нм, общее число атомов составит 147, а доля атомов, находящихся на поверхности (во внешнем слое), – 62,6 %. На пятом слое эти величины составят, соответственно, 3 нм, 561 атом и 45 %, на сотом – 29 нм, 3 миллиона атомов и 3 %. Какова форма этих частиц? Интуитивно кажется, что она должна быть сферической, но на самом деле уже после нанесения пяти плотных слоев атомов частица приобретает форму сложного многогранника, называемого икосаэдром и составленного из двадцати правильных треугольников, – поразительно красивая структура, один из примеров идеальных Платоновых тел.

А что у нас при этом происходит с энергией атомов? Понятно, что наименьшей энергией обладают атомы, находящиеся во внутренних слоях частицы. Каждый такой атом находится в плотном окружении своих собратьев, он тих и смирен, ему некуда стремиться, все, что ему остается, это тихо колебаться в унисон с ближайшим окружением и вносить свою лепту в общую работу, например отдавать свой электрон для обеспечения электропроводности.

Атомы, находящие во внешнем слое, имеют меньше связей с соседями, чем внутренние, и они, соответственно, обладают большей энергией. Перед ними лежит открытый мир, и они рвутся туда, пытаясь разорвать связи с частицей. И еще они открыты влиянию окружающей среды, они, пусть и в меньшей степени, чем свободные атомы, стремятся вступить во взаимодействие с каким-нибудь компонентом внешней среды. Как мы видели, доля поверхностных атомов в составе наночастицы очень высока и поэтому именно они определяют реакционную способность наночастицы, которая закономерно уменьшается при переходе от сверхактивных атомов к массивному куску металла. С этой точки зрения ничего неожиданного в свойствах наночастиц нет. Наоборот, было бы крайне удивительно, если бы их свойства не отличались от массивных образцов.

Своей повышенной активностью поверхностные атомы оказывают влияние и на соседей, в том числе тех, которые находятся в следующем, внутреннем, слое, а те, с сильным затуханием, передают его все дальше вглубь. Если размер частицы невелик, то свойства даже внутренних атомов будут отличаться от свойств атомов, находящихся в массивном куске золота. Для того чтобы заставить все эти атомы двигаться поактивнее, чтобы разрушить их идеальный порядок, достаточно сообщить им довольно мало энергии, именно поэтому температура плавления коллоидного золота намного ниже температуры плавления массивного образца.

Почему при изменении размера наночастиц меняется их цвет? Боюсь, что это объяснить на пальцах я не смогу, а всякие мудреные формулы мы с вами договорились не использовать. Будем воспринимать цвет как данность, именно так испокон века поступали химики. У них вообще свой взгляд на мир и на те же наночастицы. Для них частицы, состоящие из тринадцати или пятидесяти пяти атомов золота, – разные химические соединения, а каждое соединение обладает своими свойствами, и в частности цветом. С этой точки зрения говорить о необычности свойств довольно бессмысленно, ибо что есть обычность?

Следуя этой логике, признаем, что цвет и другие свойства наночастиц возникают в процессе их образования и что они существенно отличаются от свойств как изолированных атомов, так и массивных образцов. И здесь Природа, несомненно, приготовила для нас множество сюрпризов, задача ученых – разглядеть их и научиться использовать для нашей общей пользы.

Об одном таком сюрпризе мой следующий рассказ. Золото – элемент уникальный во многих отношениях. В частности, оно не обладает каталитической активностью ни в какой форме – массивных образцов, комплексных соединений, содержащих один или несколько атомов золота, или ионов. Это тем более удивительно, что платиновые металлы, соседи золота по Периодической таблице и столь же благородные, относятся к числу наиболее активных катализаторов с широчайшим спектром действия. Как бы то ни было, в середине прошлого века тезис о неактивности золота вошел в учебники и научные монографии и утвердился настолько, что никому в голову не приходило проводить работы в этом направлении.

И вот в конце 1980-х годов японский исследователь Масатаке Харута рискнул (другого слова не подобрать для этого казавшегося безнадежным предприятия) применить золото для окисления оксида углерода. Для этого он использовал наночастицы золота, образующиеся при самопроизвольной ассоциации атомов золота на поверхности диоксида титана и имеющие форму оладий. Каталитическая активность наночастиц была нулевой вплоть до размера 4 нм. Но при размере 3,5 нм происходил резкий взлет и при 3 нм золото превосходило по активности даже платину. Однако при уменьшении размера такой наночастицы до 2,5 нм активность падала в 5 раз. Если вспомнить, что размер атома золота составляет 0,286 нм, становится очевидным, что все эти драматические изменения в свойствах происходят при добавлении или удалении слоя толщиной в один-два атома. Харута обнаружил еще одно неожиданное свойство изученных им наночастиц золота. При их толщине в три и более атомов они проявляли привычные металлические свойства. Но при меньшей толщине золото – один из лучших проводников электрического тока – превращалось в… диэлектрик.

После публикаций Харуты начался бум исследований каталитических свойств наночастиц золота, спектр которых оказался почти так же широк, как у платины. В настоящее время проводятся большие международные конференции, целиком посвященные катализаторам на основе золота.

Открытие Харута сделал выдающееся, за него могут и Нобелевскую премию дать, но, с другой стороны, немного курьезное. Как мы помним, все нанесенные металлические катализаторы, давно используемые в промышленности, представляют собой наночастицы. Но золото все это заслонило просто по причине новизны и массы публикаций. Ученые в своих лекциях часто апеллируют к золотым катализаторам, потому что их изучение проводится с использованием экспериментальной техники, недоступной исследователям даже недавнего прошлого, золото предоставляет хороший иллюстративный материал – “картинки”.

Бум “золотого” катализа практически совпал с бумом нанотехнологий, из чего люди, далекие от катализа и от науки вообще, сделали вывод, что катализаторы на основе золота были созданы благодаря новым революционным технологиям. Такие неспециалисты просто перепутали причину со следствием. Вполне вероятно, что именно эта путаница и породила упоминавшиеся уже громогласные заявления чиновников о том, что нанотехнологии позволят создать катализаторы нового поколения, заявления, вызывающие в кругу ученых недоумение и смех. При этом они сами продолжают вовсю разрабатывать “золотую” жилу, это актуально, под это дают гранты, и там действительно получаются интересные с научной точки зрения результаты. Во что все это выльется, пока сказать трудно. Бум, как водится, скоро спадет, наступит этап трезвой оценки результатов, агнцы будут отделены от козлищ, что-то, может быть, и дойдет до промышленности. После этого, полагаю, история пойдет на очередной круг. Экспериментальные методы, разработанные при изучении золотых катализаторов, будут использованы для повторного исследования платиновых, палладиевых и всех других металлических катализаторов. В нашей книге много примеров того, как новый взгляд на старую проблему и возврат к старым исследованиям с использованием новой экспериментальной техники, позволяющей глубже проникнуть в тайны вещества, приводит к неожиданным открытиям и сногсшибательным эффектам. В сущности, именно это и сделал Харута, пойдя против канона и очевидности, за что ему честь и хвала.

Если будущее золотых нанокатализаторов довольно туманно, то перспективы применения золотых наночастиц в медицине не вызывают сомнений. Они обладают достаточно высокой химической стабильностью и низкой собственной токсичностью, их легко получать и модифицировать, за ними довольно просто следить и воздействовать на них дистанционно с помощью различного рода излучений – по совокупности этих свойств золото оставляет далеко позади все остальные металлы. Вы, наверно, и сами обращали внимание, как часто в сообщениях о разработке новых средств медицинской диагностики и лечения упоминаются золотые наночастицы.

Описывать все это нет никакой возможности, потому что любая информация мгновенно устаревает. Я расскажу лишь об одном распространенном общем подходе. Наночастицу связывают с белком, который способен специфически распознавать раковые клетки. Этот агрегат путешествует с кровотоком по всему организму и, найдя раковую клетку, зацепляется за ее мембрану или проникает внутрь. Если при последующем сканировании организма мы обнаружим скопление золотых наночастиц в какой-то точке, то это будет указывать на наличие раковой опухоли. В принципе так можно обнаружить одну-единственную раковую клетку, что важно само по себе, ведь ранняя диагностика служит гарантией успешного излечения. Но золотые наночастицы и сами могут служить лекарственным средством, точнее говоря, средством уничтожения больной клетки. Ее можно просто выжечь, для этого надо нагреть золотую наночастицу с помощью, например, инфракрасного излучения, проникающего сквозь наши ткани. Как знать, может быть, на основе наночастиц золота когда-нибудь создадут современный вариант эликсира жизни, мечты Парацельса.И не будем забывать, что золото лишь один из десятков металлов Периодической таблицы, что из всех этих металлов могут быть сделаны наночастицы, множество различающихся по размеру, форме, составу и обрамлению наночастиц. У всех у них свои уникальные свойства, для каждой можно найти конкретное применение. Серебро уже наступает на пятки золоту в медицинских применениях, магнитные наночастицы железа, кобальта, никеля, стремительно уменьшаясь в размерах, способствуют повышению плотности записи информации, наночастицы платиновых металлов, адаптируясь к требованиям дня, помогают создавать безотходные производства и т. д. Из зерна, брошенного более полутора веков назад великим Майклом Фарадеем, выросло целое древо, которое стремительно разрастается на наших глазах и с каждым годом приносит все более щедрые плоды.