Химия - фундаментальная и прикладная

В сегодняшнем выпуске радиожурнала речь пойдёт о химии – об исследованиях сугубо фундаментальных, не сулящих в ближайшем будущем конкретных выгод или бытовых удобств, и об исследованиях сугубо прикладных, способных облегчить нам повседневную жизнь, сделать её более комфортной и безопасной.

Учёные продолжают, в частности, погоню за всё более тяжёлыми элементами периодической системы Менделеева. В природе они не встречаются, поэтому исследователи пытаются синтезировать их искусственно. Атомы большинства этих элементов столь нестабильны, что практически мгновенно распадаются. Это чрезвычайно затрудняет доказательство самого факта успешного получения элемента, не говоря уже об изучении его свойств. В этом смысле элемент 112 может считаться исключением. На Первом Европейском химическом конгрессе, прошедшем в конце августа в Будапеште, группа швейцарских исследователей выступила с докладом об успешных опытах с этим не имеющим пока названия элементом. Профессор Бернского университета Хайнц Геггелер (Heinz Gäggeler) говорит:

Это весьма необычный элемент – нам впервые удалось изучить химические свойства элемента из группы сверхтяжёлых металлов.

Для получения сверхтяжёлых трансурановых элементов используются ядерные реакции, а для этого необходимы мощные ускорители частиц. Так, элемент 112 был впервые синтезирован в 1996-м году немецкими учёными, работающими на линейном ускорителе тяжёлых ионов в Дармштадте. Исследователи облучали мишень из свинца-208 ионами цинка-70. Полученные при этом атомы элемента 112 просуществовали лишь несколько десятых долей секунды – слишком мало для химических опытов. Теперь же российские учёные предложили иной путь. В Объединённом институте ядерных исследований в Дубне мишень было решено изготовить из плутония-242, а бомбардировать её ионами кальция-48. По словам профессора Геггелера, сама по себе идея вместо свинца и цинка использовать плутоний и кальций показалась ему поначалу не слишком продуктивной, поскольку такая пара должна была в процессе синтеза дать ещё более тяжёлый элемент с порядковым номером 114. Так, собственно, и произошло. Однако уже спустя полсекунды полученный изотоп претерпел альфа-распад и превратился в элемент 112. Мы были бы на седьмом небе от счастья, если бы могли таким методом получать новый элемент в макроколичествах, – говорит профессор Геггелер, – но это, конечно, чистая утопия:

К сожалению, при этом синтезе за весь период облучения мишени, которое продолжалось 2 месяца, нам удалось получить ровно 2 атома элемента 112. Причём период полураспада этого изотопа составил 4 секунды, по есть спустя 4 секунды один из 2-х полученных нами атомов снова распался.

Впрочем, этого времени всё же оказалось достаточно для проведения одного эксперимента, в ходе которого полученные атомы были перенесены струёй инертного газа в криогенную камеру, оборудованную сенсорами с золотым покрытием. Характер взаимодействия атомов элемента 112 с атомами золота позволил учёным ответить на вопрос, действительно ли новый сверхтяжёлый элемент обладает теми свойствами, которые вытекают из его положения в периодической таблице. Ведь там он находится в той же группе, что и ртуть, а значит, должен проявлять сходные химические свойства – в частности, прочно соединяться с золотом. Между тем, некоторые учёные выражали сомнения на сей счёт, – говорит профессор Геггелер:

Существуют теоретические прогнозы химиков, согласно которым элемент 112 – в силу так называемых релятивистских эффектов, вытекающих из теории относительности Эйнштейна, – должен вести себя как инертный газ. Одна из главных целей эксперимента и состояла в том, чтобы проверить, насколько верен этот прогноз. Мы убедились в том, что этот экстремальный прогноз не имеет ничего общего с действительностью.

Тем не менее, релятивистские эффекты всё же имеют место, и именно ими объясняются отклонения от строгой периодичности в системе элементов. В области сверхтяжёлых трансурановых элементов эти эффекты проявляются всё чаще, так что для элементов с порядковым номером выше некоторого – пока науке неизвестного – числа тот самый принцип, на котором построена таблица Менделеева, окажется уже недействительным. Профессор Геггелер поясняет:

Вопрос в том, где та точка, за которой элементы уже не будут подчиняться периодическому закону. В известной мере мы как раз и ищем тот ключевой элемент, который ознаменует собой этот перелом.

А теперь от этих высоких материй перейдём к более приземлённым вещам. Химики и материаловеды давно присматриваются к биологическим волокнам, натуральным нитям, производимым некоторыми животными – прежде всего, насекомыми и пауками. Но если шёлк – продукт, выделяемый гусеницами бабочек-шелкопрядов, – люди начали использовать в 3-м тысячелетии до нашей эры, то паутина, выделяемая пауками и паутинными клещами, применения до сих пор не нашла. Что, конечно, очень странно, – говорит профессор Дейвид Каплан (David Kaplan), заведующий кафедрой биомедицинского инжиниринга университета Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс:

Паутинная нить пауков-кругопрядов считается одним из самых прочных волокон в природе. По механическим свойствам она не уступает лучшим из искусственно синтезированных волокон, включая и такие материалы как «кевлар» или «спектра».

Между тем, это те волокна, из которых сегодня изготовляются бронежилеты. Поэтому профессор Каплан и его коллеги решили искусственно синтезировать новое высокопрочное волокно, взяв за образец паутинную нить обитающего в США золотого паука-ткача (Nephila clavipes). Однако поскольку производство осуществляется методами генной инженерии в биореакторах, учёным удалось заставить трансгенные бактерии производить молекулы модифицированного паутинного белка со встроенным в них дополнительным белковым фрагментом – пептидом R5, позаимствованным у одного из видов диатомовых водорослей (Cylindrotheca fusiformis). Эти водоросли представляют собой одноклеточные организмы, заключённые в твёрдую оболочку из двуокиси кремния – вещества, используемого в качестве сырья для получения кварцевого стекла. Профессор Каплан поясняет:

Мы хотели улучшить свойства паутинной нити – в этом состояла главная идея. В результате нам удалось создать композитный материал, в котором белковое волокно упрочнено минеральными компонентами.

Исследование такого композита под электронным микроскопом показало, что двуокись кремния образует некую наноструктуру из бусинок наподобие грозди винограда, висящей на белковых волокнах. Разработчики особо подчёркивают, что в этом материале им удалось реализовать более гомогенное распределение частиц, чем это было бы возможно при обычном перемешивании компонентов в растворе. Продукт этой необычной гибридизации профессор Каплан намерен использовать в трансплантологии – прежде всего, для изготовления костных имплантатов. Так что выбор двуокиси кремния не случаен: ведь соединения, относящиеся к классу так называемых биоактивных стёкол, стимулируют деление клеток костной ткани в организме человека. То есть имплантат из материала, созданного профессором Капланом, не только гораздо прочнее аналогов, но и способствует регенерации костной ткани. Кроме того, метод получения такого материала – в отличие от технологии производства того же «кевлара» – не причиняет ущерба окружающей среде: вместо органических растворителей используется вода, реакция идёт при комнатной температуре. Сегодня учёные во главе с профессором Капланом работают над тем, чтобы создать гибриды гена, кодирующего паутинный белок, с генами, кодирующими белки, осуществляющие захват из растворов других минеральных компонентов. А завершим мы сегодняшний разговор на химические темы рассказом о сугубо прикладном исследовании. Группа научных сотрудников факультета химии и биохимии университета Южного Иллинойса в Карбондейле во главе с профессором Бакулом Дейвом (Bakul Dave) задалась целью улучшить один из видов изделий так называемой «бытовой химии», а именно – чистящие и моющие средства. Как известно, одним из важнейших компонентов жидких стиральных средств являются ферменты. Главное достоинство этих биокатализаторов – в том, что они обеспечивают высокое качество стирки, а главный недостаток – в том, что со временем они теряют эффективность, причём происходит это весьма быстро. Именно с этим недостатком современных моющих средств и решили покончить американские исследователи. Но поскольку ассортимент ферментных добавок весьма широк – одни удаляют жиры, другие – белки, третьи – крахмал и так далее, – учёные поначалу остановили свой выбор лишь на одной категории ферментов. Профессор Дейв говорит:

Эти ферменты относятся к классу протеаз. Они получили довольно широкое распространение в производстве моющих средств благодаря своей способности расщеплять белковые молекулы, разрезать их на мелкие фрагменты. Это и позволяет им удалять с белья пятна белкового происхождения.

Ферменты не ядовиты и легко поддаются биологическому расщеплению, что само по себе хорошо, однако у этой медали есть и обратная сторона: воздействие света, высоких температур или химических реактивов негативно отражается на эффективности ферментов. Скажем, содержащиеся в моющих средствах тензиды – растворители жиров, входящие и в состав обычного мыла, – могут полностью нейтрализовать ферменты. Конечно, это происходит не мгновенно, но уже через несколько месяцев снижение активности моющего средства становится заметно. Чтобы затормозить этот процесс, профессор Дейв разработал особый материал, внешне напоминающий стекло, но обладающий множеством мельчайших пор. Эта стеклоподобная губка способна вбирать в себя молекулы ферментов и этим защищать их от вредного воздействия внешней среды. Учёный поясняет:

Поскольку ферменты заключены в поры, агрессивные компоненты стирального порошка не так легко добираются до них. Кроме того, поры ещё и механически стабилизируют молекулы ферментов. Дело в том, что нейтрализация любого фермента связана с изменением пространственной структуры его молекулы: ведь ферменты по своей химической природе – белки, и их функции зависят не только от того, какие аминокислоты и в какой последовательности входят в состав их молекул, но и от пространственной структуры этих молекул. Поры нашего стеклоподобного материала столь тесны, что удерживают молекулы ферментов в свёрнутом состоянии, и это их стабилизирует.

Предполагается, что разработанный американскими учёными материал будет выпускаться в виде мелкодисперсного порошка, «заряженного» ферментами, и добавляться в жидкие моющие средства. Лабораторные эксперименты показали, что молекулы ферментов, заключённые в микропоры этого стеклоподобного материала, при температуре до 80-ти градусов Цельсия сохраняли активность на протяжении целого часа. Тот же фермент, не защищённый чудо-материалом, полностью терял свои моющие свойства уже через 15 минут. Таковы результаты эксплуатационных испытаний. Что же касается повышения допустимых сроков складирования и хранения стиральных средств, содержащих ферменты, то на этот вопрос призваны были дать ответ долгосрочные эксперименты, проводимые в реальном времени. Профессор Дейв говорит:

Максимальный срок, который мы испробовали, составил полтора года. Так что мы можем с полным основанием утверждать, что, по меньшей мере, в течение полутора лет ферменты сохраняют свою стабильность. Но мы полагаем, что это далеко не предел и что при комнатных температурах моющие средства с добавками нашего порошка могут храниться очень-очень долго.

Впрочем, обеспечение стабильности ферментов – это ещё не всё. Главное – чтобы в нужный момент эти ферменты выполнили предназначенную им функцию. Иными словами, микропористые стеклоподобные губки должны обладать способностью вовремя отдать молекулы ферментов в раствор. Это достигается за счёт того, что новый материал самостоятельно реагирует на изменение внешних условий – в данном конкретном случае, на наличие – а вернее, на концентрацию, – воды в окружающей среде. Пока моющее средство представляет собой неразбавленный концентрат, то есть в условиях относительно низкого содержания воды, поры стеклогубки остаются столь узкими, что молекулы фермента не могут их покинуть, – поясняет профессор Дейв:

Но когда мы начинаем растворять стиральный порошок, вода проникает в наш стекломатериал, и тот набухает, что приводит к увеличению размера пор. В результате фермент уходит в раствор. Но это, повторяю, происходит только при наличии достаточного количества воды. В концентрированном состоянии наше моющее средство ферменты не выделяет.

Для производства такой набухающей микропористой стеклогубки химики из Иллинойса использовали так называемый «золь-гель процесс». Речь идёт об особой технологии получения материалов с определёнными химическими и физико-механическими свойствами, в ходе которой образуется золь с его последующим переводом в гель. Тут, видимо, следует напомнить, что золи и гели, или коллоиды, – это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, в которых размеры частиц дисперсной фазы – так называемых мицелл – не превышают одной десятой миллиметра. При этом в золях частицы равномерно заполняют весь объём и свободно и независимо участвуют в броуновском движении, а в гелях – частицы образуют некую пространственную структуру. Соответственно, типичные золи – это водные растворы биополимеров, латексы, а типичные гели – это студенистые тела вроде желатинового студня, способные сохранять форму и обладающие прочностью, упругостью и пластичностью. Золь-гель процесс позволяет, например, синтезировать стекло при комнатной температуре – правда, в данном случае речь идёт не об обычном кварцевом стекле. Чтобы материал лучше набухал, исследователи ввели в его состав ещё один компонент, изрядно напоминающий силикон или каучук. Микропористая стеклогубка американских химиков сочетает свойства обоих материалов, – говорит профессор Дейв:

Это что-то среднее между стеклом и резиной. Не столь гибкое и эластичное, как резина, но и не столь твёрдое и хрупкое, как стекло. Как я и сказал, именно что-то среднее.

Профессор Дейв надеется, что ему удастся, слегка видоизменив набухающий стекломатериал, приспособить его и для других сфер применения – например, для включения в средства ухода за кожей. По расчётам учёного, это повысит эффективность таких средств.