Два шага до чуда

Васин Михаил Дмитриевич

СОТВОРЕНИЕ МИРА

 

Вызов Святослава. — Сталь одряхлела? — Где природе не под силу… — Именем полимеров. — Машина в роли пчелы. — Пол принесли в ведре. — Надувной дом. — Пластмасса дарит сто миллионов. — Летающая печка. — Лакированные овощи. — Джунгли микромира. — Как растут молекулы? — Воспитание полимера. — Молекулярное садоводство. — Ионит идет по следу. — Сито наоборот. — Химики-портные. — Каменные «гибриды».

«ИДУ НА ВЫ!»

Храбрый и благородный русский князь Святослав, готовясь в военный поход, посылал сказать врагам: «Хочю на вы ити». Фразу эту, со временем переделанную, повторяли многие, когда замышляли смелое дело. «Иду на вы!» — бросали они вызов трудностям и опасностям. Сегодня этот резкий вызов брошен самой природе. В соперничество с нею вступили химики: они решили сами создавать то, что раньше считалось по силам только природе.

До сих пор было так. Люди выбирали в богатых природных кладовых подходящий материал и лишь обрабатывали его, делая нужные вещи. Выбор зависел от уменья. Когда-то, давным-давно, они подбирали твердые камни и, раскалывая их, превращали в топоры, ножи, наконечники для стрел и копий. Это был каменный век. Его сменил век бронзовый. Теперь люди разыскивали другие камни, калили их на огне до тех пор, пока они не начинали плакать красными медными слезами. Эти медные капли в ловких руках превращались в горящие, будто пламя, породившее их, мечи, бронзовые секиры, шлемы.

А там пошли в дело совсем иные камни. В них природа запасла и спрятала до срока новый превосходный материал. Это был металл цвета зимнего неба — невиданно твердый и податливый, упругий и гибкий, дешевый и бесценный. Мечи из него были остры, кольчуги непробиваемы. Из него получались отличные серпы и косы. Новый материал обладал многими не известными бронзе свойствами, и именно благодаря им люди теперь могли делать то, о чем прежде и не мечтали. Этот металл помог создать первые огнедышащие машины и головокружительно высокие дома, превратил мосты, раньше приземистые и неуклюжие, в изящные сооружения, легко, словно они ничего не весили, переброшенные через широкие и глубокие реки. Он проник во все области человеческой жизни, привел технику к небывалому развитию. И именем этого материала теперь была названа целая историческая эпоха — век железа.

Но вот настал наш, XX век. Все быстрее движется вперед человечество в своем развитии. В течение нескольких десятилетий покорен океан, освоено небо, крупнейшие реки приучены вырабатывать электрическую энергию. Железные и шоссейные дороги паутиной оплетают сушу. Становится послушным атом. Появляется бесконечное множество машин. Самых разнообразных, вплоть до думающих. Все выше скорости — в цехах, на дорогах, в море, в небе. И вот уже небесный корабль преодолевает земное притяжение и отправляется на Луну…

Но в ликующем реве техники сначала тихо, робко, потом все громче и тревожнее стали раздаваться голоса конструкторов и инженеров:

— Быстрее нельзя… Выше невозможно… Слишком дорого… Очень недолговечно… Железо не годится… Сталь быстро разрушается… Алюминий? Дерево? Бетон? Нет, не подходят!

Старые материалы, подаренные людям природой и служившие им верой и правдой долгие годы, оказались негодными для новых машин, сдерживали порыв человека вдаль, ввысь — вперед. Нужны другие материалы, в которых бы сочетались самые противоречивые свойства: они должны быть легкими, как пробка, но более долговечными, чем железо; гибкими и мягкими, как шелковые нитки, но не уступать по прочности стали; они должны стойко выдерживать высокую температуру, давление, растяжение, скручивание, но вместе с тем по воле человека легко изменять свою форму. Кроме того, нужно, чтобы они не боялись ржавчины, воды, огня, воздуха, лучей солнца, трения, едких кислот и щелочей.

Возможны ли такие материалы вообще? На свете ничего подобного нет. Следовательно, смирись, человек, и приспосабливайся к тому, что имеется в природе? Такой ответ был бы единственно возможным всего несколько десятков лет назад. А сейчас инженеры и ученые сказали: придется искусственно делать то, что не смогла создать природа…

Дерзкая мысль! Во всю историю человечества люди, за малым исключением, только обрабатывали материалы, созданные природой, — камни, глину, дерево, металлы, растительные волокна, кожи. Теперь надо было своими руками сотворить совершенно новый мир, мир небывалых материалов, Это был вызов. И человек бросил его. «Иду на вы!»

ДОМ ИЗ ЗАВТРА

Наш XX век еще недавно называли веком стали и бетона. Потом прибавили к этому названию еще два слова: «и стекла», А сейчас уже двадцатое столетие именуют веком высокомолекулярных соединений, или, короче, веком полимеров. Потому что полимеры — это как раз и есть те материалы, о которых мечтали ученые и конструкторы.

Но не слишком ли рано полимерам пожалована такая честь, не преждевременно ли присваивать их имя целой эпохе? Ведь каждый знает, что дома наши по-прежнему еще кирпичные и бетонные; железные дороги, поезда, автомобили — стальные; самолеты — алюминиевые… Старые материалы используются сейчас не только не меньше, но гораздо больше, чем раньше.

Да и полимеры вовсе не такая уж новинка. Широко применялись они и в век железа, и в эпоху бронзы, камня, и задолго до появления на Земле первого человека. Их, эти сложнейшие и изумительно совершенные полимеры (белок, целлюлозу и другие полисахариды, носители наследственных признаков — нуклеиновые кислоты), придумала природа, когда принялась создавать живые организмы. Так почему же теперешние времена называть веком полимеров?

Попробуем разобраться в этих сомнениях.

Исследуем сначала наш дом. Первое промышленное изделие, с которым особенно близко знакомится человек, — это, пожалуй, соска. Да еще яркие погремушки и другие пластмассовые игрушки. И резина, и пластмасса — полимерные материалы. Линолеум на полу — тоже. Выключатели, розетки, пепельницы, дверные ручки, телефонный аппарат, завинчивающиеся пробки на флаконах, вся небьющаяся посуда, авторучки — тоже высокомолекулярные соединения. Белые полупрозрачные щетки для волос, непромокаемый мешочек для молока или мяса — это полиэтилен, один из самых распространенных полимеров. Капроновые чулки, носки, блузки, костюм из лавсана, плащ, вискозный каракуль, ацетатный шелк, воздушная нитроновая шубка… Можно еще долго перечислять изделия из полимеров, давно ставшие нам привычными.

Однако если мы живем в новом доме, ко всему этому надо будет обязательно добавить, что канализационные и водопроводные трубы в нем сделаны из полиэтилена или полипропилена; полы на кухне выложены полистирольной плиткой. А во многих домах мы обнаружим еще и синтетическую ванну и раковину, стены, оклеенные моющимися полимерными обоями, паркетный пол, оконные переплеты и двери, сделанные из древесных пластиков.

Получается, что уже сейчас чуть ли не половина дама и многие самые обыденные вещи состоят из полимеров, не используемых природой, изобретенных человеком.

И это не все. На промышленных выставках часто можно видеть «дома будущего». Вот один из них.

В нем только каркас железобетонный. Стены тонкие, легкие — в десятки раз легче кирпичных. Они сделаны главным образом из… бумаги и воздуха. Но они очень прочны и не пропускают ни уличного шума, ни холода, ни жары. Так что зимой в таком доме тепло, а летом — прохладно.

Что ж это за странные стены? Устроены они так. Изнутри проложен тонкий лист красивой пластмассы; затем идет толстый слой сотопласта и, наконец, снаружи — лист стеклопластика.

Здесь, наверное, нужны разъяснения. Например, сотопласт. Что это за штука? Напоминает пчелиные соты? Вот именно. Настоящие соты, только сделанные не пчелами в улье, а машинами на заводе. Изготавливают их из бумаги, пропитанной полимерными смолами. На стройку привозят большие, толстые, но совсем невесомые куски сот, блоки. Возьмет рабочий один такой кусок, поставит на место — и полстены готово!

А стеклопластик?

О том, что это такое, тоже можно догадаться по названию. Это дитя стекла и высокомолекулярных соединений. Делают его так. Берут стеклянную ткань или тонкий слой стеклянной ваты и пропитывают полимерными смолами. Смола застывает, и получается материал со сказочными свойствами. Стеклопластик легок, но прочен, как железо, дешев, но будет служить вечно: ему не страшны ни вода, ни ржавчина, ни удары.

Эти стены не нужно ни штукатурить, ни красить. Краска, введенная в стеклопластик при его изготовлении, сохранит свою свежесть навсегда.

Из стеклопластика же сделана и крыша. А для чердачного перекрытия использовали пенопласт — слой застывшей, не пропускающей ни шума, ни тепла полимерной пены.

Если даже стены и крыша дома сооружены из новых материалов, так что тогда делается внутри? Конечно же, оконные рамы, подоконник, облицовка стен кухни, пол, раковина, трубы, полочки, шкафчики, холодильник, ванна, роскошный персидский ковер, разлегшийся в комнате, мягкий диван, другая мебель, обтянутая кожей и замшей, цветочные горшки, скатерти — все это полистирол, полихлорвинил, полиэтилен, полипеноуретан, лавсан и многие другие синтетические материалы… Вот какой дом уже существует!

Надувной купол стадиона.

Но пойдем дальше. С помощью особых полимерных смол сейчас приклеивают к стенам железобетонные балконы. На таком балконе может прыгать и плясать целая толпа: клей выдержит. Скорее лопнет бетон. Так же прочно приклеивается бетон к стали, железо к кирпичу, стекло к дереву. Ни гвоздей, ни болтов не надо. Но если гвозди и болты все-таки потребуются, то их можно прессовать из полимеров, которые называются поликарбонатами. Такие гвозди, в отличие от железных, не гнутся при ударе и никогда не ржавеют. А полы начали делать так. Приносит рабочий в комнату несколько ведер жидкого каучука — латекса, полимерной смолы и мелкого песка. Смешивает все это и разливает тонким слоем. Через несколько часов смесь застывает. Пол готов! Любого цвета: хотите — под мрамор, хотите — под малахит.

Дома, о которых до сих пор шла речь, — дома обычные, только ставшие благодаря полимерам дешевыми, легкими, красивыми. Но заменять в строительстве старые материалы — слишком скромная для полимеров роль. Они способны на большее. На что же? Вот пример.

Задумали инженеры построить склад, большое общежитие или огромный дом для самолета — ангар. Рыть траншеи под фундамент не стали, а привезли бетонные плиты, выложили ими площадку, полили сверху смесью латекса и синтетической смолы. Получился пол. С двух противоположных сторон площадки установили две полукруглые стены, а сверху накрыли все это тонкой полиэтиленовой или резиновой пленкой. Включены воздушные насосы.

Под пленку, бессильно провисшую между стенами, начал поступать воздух. Она ожила, зашевелилась, стала подниматься куполом и через некоторое время надулась, как автомобильная камера. Насосы теперь могут работать потихоньку, лишь бы восполнять потери воздуха, который выходит через незамеченные щели, отверстия в пленке, двери, когда их открывают. Строительство закончено. Пленка заменяет и стены, и крышу, и окна — ведь она пропускает свет. На сооружение дома пошло несколько часов!

Такие мягкие здания обычно имеют метров пять в высоту, метров десять в ширину. В длину они достигают и пятидесяти, и ста метров. Но строители хотят попробовать возводить надувные купола над стадионами, а то и над целыми городами. Если это удастся, в городах и поселках, расположенных в тундре, на Крайнем Севере, можно будет создавать климат не хуже сочинского!

СТЕКЛЯННОЕ РУЖЬЕ

Так обстоит дело с домами. Ну а как с поездами, автомобилями, самолетами?

Конечно, и рельсы, и колеса железнодорожных вагонов все еще стальные. И вряд ли когда-нибудь будут делаться из полимеров. Хотя как знать! Ведь испокон веков считалось, что лучше деревянных шпал и придумать ничего нельзя, а сейчас вот химия заменяет их негниющими, вечными — бетонными да стеклянными. Может, в недалеком будущем и со стальными рельсами и колесами произойдет то же самое.

Но железная дорога — это не только рельсы и колеса. Например, на каждом вагоне обязательно устанавливаются тормозные колодки. Это такие чугунные бруски, которые прижимаются сжатым воздухом к колесам и замедляют их бег, тормозят поезд. Вот их-то уже заменяют пластмассовыми, которые в четыре раза легче чугунных и раз в десять дольше служат. Мелочь? Давай прикинем в уме. Колодка из чугуна весит пуд. Каждый год в стране выпускают 28 000 000 колодок. Сколько это нужно шахтерам добыть из-под земли руды, сколько времени надо металлургам, чтобы выплавить такую уйму чугуна, сколько труда придется затратить железнодорожникам, чтобы через каждые 600-1000 километров пути снимать эти тяжелые истершиеся колодки, а на их место ставить другие? Подсчет говорит: замена старых колодок пластмассовыми сберегает за несколько лет 3 000 000 тонн чугуна и 100 000 000 рублей. Вот тебе и «мелочь»!

Дальше. Утепление вагонов, трубы, мягкие диваны, внутренняя отделка — это, понятно, все чаще делается из пластиков, полимерных материалов. А используются ли они в тепловозах, электровозах? Конечно. Например, электровоз с корпусом из слоистого пластика построен на машиностроительном заводе имени В. И. Ленина в Чехословакии.

Автомашины. Здесь опять-таки внутренняя отделка из синтетики. Но не только.

Кузов автомобиля из пластика.

Полимеры проникают в автомобиль «со всех сторон». Вечные, не нуждающиеся в смазке подшипники, пружины и рессоры из полимеров. Шестеренки, изоляция, трубки, шланги — из капрона, каучука и других материалов. Выпускаются автомобили и с кузовом из стеклопластика. Машина стала легче на одну треть. Повредить такой кузов труднее, чем стальной, а отремонтировать проще: накладывается заплатка — и делу конец.

Между прочим, о стеклопластике, о его порой невероятных свойствах можно говорить бесконечно. Объединив в себе самые драгоценные качества стекла и самые удивительные особенности полимеров, он буквально каждый день находит себе все новые области применения. К примеру, из него начали лепить (иначе и не скажешь) лодки. Делают форму лодки, обтягивают ее стеклянной тканью и обмазывают полимерной смолой.

Шлюпка из стеклопластика.

Сверху — еще слой ткани и слой смолы. Так несколько раз. Потом высушивают, а форму извлекают. Получается самая легкая, самая прочная (умышленно не продырявишь!), самая быстроходная лодка.

Шлюпки, сделанные таким способом, провели в Арктике три года. Океан трепал их волнами, пытался раскусить их льдинами-зубами. Ничего не вышло, шлюпки были несокрушимы. В Ленинграде построено из стеклопластика первое крупное рыболовное судно.

Рыболовное судно из пластика.

Строятся пассажирские суда… А тем временем попробовали делать из нового материала якорные цепи. И пришли в восторг — такие они получались прочные и надежные. Шестерни и зубчатые колеса? Тоже хороши: легки, не требуют смазки. Болты и гайки? Превосходные. Пружины оказались и гибче и прочнее стальных, да еще не ржавели и не боялись магнита (это важно в приборах).

Попробовали изготовить пластмассовое ружье. Ствол сделали из стеклопластика. Ружье получилось красивое, а главное — легкое: на 600 граммов легче обычного. Но… Что от него останется после выстрела? Желающего стрельнуть для пробы даже искать не стали. Зарядили новое ружье, укрепили в специальном станке, спрятались в укрытие. Сейчас от ствола стеклянные осколки полетят во все стороны… Бах-бабах! Смотрят: ружье целехонько. Еще выстрел, еще. Ему все нипочем. 16000 выстрелов, то есть в два раза больше, чем обычное стальное ружье, выдержал стеклопластик. Нет, испытания прекратили не потому, что ружье все-таки испортилось. Оно вполне годилось для стрельбы. Просто надоело зря тратить патроны.

О применении полимеров в самолетах и ракетах можно было бы не говорить. Ведь для летательных аппаратов нужны прежде всего легкие материалы, а именно этим свойством и отличаются пластмассы. Стеклопластик, к примеру, один из самых тяжелых среди новых материалов, но и он легче стали в пять, а дюралюминия в два раза. (Надо заметить, что при этом он прочнее обычной стали в полтора-два раза, дюралюминия — раз в пять, а то и в десять!) И все же, чтобы показать, какое значение имеют для воздушных кораблей высокомолекулярные соединения, одну цифру назвать следует. В широко известном и уже стареньком самолете ТУ-104 насчитывается более 120 000 деталей из полимеров! В самолетах, которые построены недавно, их еще больше.

Новые материалы очень нужны и при сооружении ракет. Ведь из них, не говоря уже обо всем прочем, делают теплоизоляционную оболочку ракет. Эта защитная оболочка, разогреваясь от трения о воздух, хотя и сгорает слой за слоем, все же не пропускает жара внутрь космического корабля. Не будь пластмассового слоя, металлический корпус ракеты превратился бы в раскаленную печь, стремительно несущуюся в небо. Находиться в такой печке, надо полагать, было бы не очень-то приятно!..

Высокомолекулярные материалы оказались незаменимыми даже в космосе. Надо ли продолжать рассказ об их разнообразнейшем и все более расширяющемся применении? Стоит ли говорить о капроновых рыболовных сетях и канатах, прочных, не гниющих от сырости? О пластмассовых штампах, с помощью которых формуются металлические детали? О часах, в которых все до последнего винтика изготовлено из фторопласта? О прозрачных, мягких консервных «банках» из полиамидных смол? О полимерном лаке, тонкий слой которого делает куриное яйцо небьющимся, а овощи и фрукты сохраняет свежими всю зиму?

И без того ясно: век полимеров наступил уже сегодня. А завтра мы не сможем ступить и шагу без этих новых материалов.

ЭКСКУРСИЯ В МИКРОМИР

Наверное, настало время ответить на вопросы, которые уже давно напрашиваются сами собой. Что это за странные такие материалы — полимеры? Как получается, что они могут растягиваться, но и быть прочнее стали, что они способны подниматься куполом от легкого напора воздуха, но и, выполняя роль гвоздей, не гнуться при ударе молотка?

Дело прежде всего в том, что полимеров великое множество. У каждого свои качества. Но и один и тот же полимер нередко может обладать различными и даже порой противоположными свойствами. Чтобы разобраться в этом, нам придется совершить небольшую экскурсию. Хотя путь наш совсем недалек, добраться к цели пешком нам не удастся. Нужен особый транспорт: воображение. К счастью, оно имеется у каждого. Итак, оседлаем свое воображение. И представим…

Мы вдруг уменьшились в миллиарды миллиардов раз. Какими мы стали? Величиной с комара? Меньше. С амебу? Меньше! Такими, как вирус, который свободно проникает сквозь поры фарфора? Нет, еще меньше: вирус нам показался бы величиной с гору!

Оглянемся вокруг. Все неузнаваемо изменилось, будто мы попали в другой мир. Впрочем, это так и есть: мы в микромире. Обычный кирпич теперь для нас примерно такой же большой, как раньше Земля. Стекло без труда можно пройти насквозь — все оно пронизано огромными пещерами. Лист бумаги, на котором напечатаны эти строки, превратился в бесконечные заросли невиданных деревьев, поднимающихся выше гор…

У наших ног рассыпаны странные предметы. Вот, оказывается, какие строительные материалы микромира — атомы!

Этот, самый маленький, — атом водорода. Рядом с ним, побольше, — атом кислорода. Если сложить вместе два кислорода и один водород, получится, как известно, мельчайшая капелька воды, ее молекула.

Молекулы многих камней состоят, в основном, из атомов кремния. Но наиболее удивительный строительный материал микромира — атомы углерода. Из них можно сложить самые разные, самые непохожие вещества. Мягкий графит в карандашах и горючий уголь построены из углерода. Самый твердый камень — алмаз — тоже. Разница только в том, что атомы в этих веществах расположены по-разному. А если к углероду добавить немного других атомов, можно сделать почти все, что угодно. Скажем, один атом углерода и четыре атома водорода — это газ метан. Он горит голубым пламенем в горелках газовых плит. Если соединить два атома углерода, а к ним пристроить шесть атомов водорода, получится другой газ — этан (содержится в нефти). Присоединяя друг к другу все больше атомов углерода и навешивая на углеродную цепочку, словно бусинки на нитку, все новые атомы водорода, мы будем получать все новые вещества. Цепочка из трех, четырех, пяти атомов углерода — это еще газы: пропан, бутан, пентан. А вот ожерелье из шести углеродных звеньев и четырнадцати водородных бусинок уже образует молекулу жидкости, содержащейся в нефти и бензине, — гексан. Еще нарастим ожерелье, — выйдет почти твердое вещество — парафин (из него делают свечи). А если свернуть ожерелье двумя кольцами, получится хрупкий, кристаллический нафталин.

Но все это — простейшие изделия микромира. Из углерода и других атомов образуются необычайные молекулы в виде нитей, бус, цепей, сетей, решеток. Они состоят из сотен тысяч атомов и имеют фантастическую величину: некоторые из молекулярных ожерелий, если бы их растянуть, поднялись бы выше облаков микромира, выше здешних гор. Молекул-гигантов множество. Они переплетаются друг с другом, образуют непролазные заросли, настоящие джунгли.

Вверху: формула этилена; внизу — формула полиэтилена.

Вот из таких молекул и состоят полимеры. Молекулы можно сделать разные. Разные получаются и полимеры.

Как же рождаются молекулы-гиганты? Ученые придумали множество интереснейших способов их создания. Но мы с тобой не будем углубляться в бесконечные молекулярные джунгли слишком далеко: ведь немудрено и заблудиться. Для начала выберем себе молекулу-ожерелье попроще, вытащим ее из вороха других и рассмотрим, что же нам попало в руки.

Какое, оказывается, длиннющее ожерелье! Сколько, интересно, в нем атомов углерода? Раз, два, три, четыре… двадцать… пятьдесят один… тысяча триста, две тысячи… три… четыре тысячи! А около каждого атома углерода по две водородных бусинки. И никаких других атомов нет… Так что же это? Не полиэтилен ли? Да, он самый. Тот, из которого делают водопроводные трубы, бутылки, расчески, пленку для пищевых мешочков, теплиц и надувных домов.

Как химики сооружают полиэтиленовые молекулы? Ведь действовать так, как мы до сих пор говорили («возьмем еще несколько атомов углерода и нарастим ожерелье…»), можно лишь находясь в микромире. Но химики-то живут в нашем обычном, большом мире, откуда атом углерода не рассмотришь ни в какой самый мощный микроскоп. А уж «взять атом углерода», чтобы нарастить ожерелье, и думать нечего. Как же химики выходят из положения?

Очень остроумно. При переработке нефти выделяется газ этилен (в его молекуле два атома углерода и четыре водорода). Его накачивают в большие прочные аппараты и нагревают до 200 градусов. От такой жары и высокого давления молекулы газа сталкиваются и прочно сцепляются друг с другом. Вместо двух атомов углерода в молекуле получается четыре, потом шесть, восемь, десять, двенадцать — и так далее, пока цепь не вырастет до 4–5 тысяч атомов углерода. Лишь тогда можно считать, что полимер родился. Получается, что из двух тысяч молекул этилена вышла одна большая молекула полиэтилена.

Часть макромолекулы полиэтилена.

Кстати, теперь мы можем немного разобраться и в названиях. Вещества, подобные этилену, называют мономерами. «Моно» по-гречески означает «один», «мерос» — «часть». Значит, «мономер» — это «одночастный», то есть вещество, молекула которого представляет собой одну довольно простую частичку. Теперь ясно, что скрывается за словом полимер. Ведь «поли» — это «много». Конечно, полимер — вещество, молекула которого сложена из множества простых частичек. Если эти частички являются молекулами этилена, полимер называют полиэтиленом («многоэтилен»). Когда молекула полимера или — что одно и то же — высокомолекулярного соединения складывается из стирола, получается полистирол, из хлорвинила — полихлорвинил…

ПРОБЛЕМЫ «ВОСПИТАНИЯ»

Но появление полимера на свет — это лишь полдела. Зачастую главные трудности только и начинаются после рождения дитятки-гиганта. Чтобы полимер «вышел в люди», его приходится воспитывать. А надо сказать, большинство полимеров упрямы, капризны, своенравны. И с ними сладить нелегко.

Воспитанием полимеров (между прочим, это выражение я употребляю не для занимательности — таков научный термин) занимаются особые специалисты — физико-химики. Новый полимер снова нагревают, охлаждают, растворяют, воздействуют на него кислотами, щелочами и другими химическими веществами, продавливают через тончайшие отверстия в стальных дисках — фильеры. В результате таких «педагогических мер» у воспитуемого вырабатываются важные качества: гибкость, прочность, сопротивление действию воды и воздуха.

Но посмотрим, как это делается в жизни. Для примера проследим путь красивого, нежного, мягкого волокна — нитрона.

Сначала берут газ метан. Нагревают его в пламени электрической дуги до 1400 градусов. Молекулы метана спаиваются, углерод прикрепляется к углероду, получается новый газ — ацетилен. Его надо быстро охладить, иначе он превратится в сажу. Теперь ацетилен соединяют с синильной кислотой и получают молекулу бесцветной жидкости — акрилонитрил. А из этих молекул (их нужны тысячи) уже можно сложить целое ожерелье: молекулу удивительного полимера — полиакрилонитрила.

Что же дальше? Полимер лежит в колыбели-пробирке — мелкий рыхлый порошок. Он ни на что не способен, ничего не умеет и никому не нужен. Чтобы его оценили люди, он должен многому научиться.

Вот какую школу прошел после своего рождения полиакрилонитрил. Сначала его пытались расплавить, но он оказался к этому неспособным: молекулы его при сильном нагревании распадались на части. В обычных растворителях он не растворялся. После долгих поисков нашли наконец такой растворитель, который был ему по вкусу; попав в него, порошок исчезал без следа. Образовавшуюся густую тягучую массу продавливали через фильеру. Тончайшая струйка раствора полимера попадала в ванну, где из нее вымывался растворитель и она немного затвердевала. Потом загустевшая струйка-паутинка попадала в другую ванну, с кипятком, затем — в третью, тоже с горячей водой. Здесь струйка промывалась снова и снова и вытягивалась в бесконечную, едва заметную нить — волокно нитрон.

Однако дело на этом не кончилось. Волокно надо завить и постричь. Работу парикмахера выполняют машины: одна гофрирует волокно, другая стрижет, режет на кусочки длиной 6-10 сантиметров. Если теперь волокно осторожно высушить, оно получится тонким, нежным, прочным и гибким. Из него можно делать теплые носки и чулки, ткани для костюмов, вязать кофты и джемперы. Мало этого. Инженеры создали машины, которые дают нитроновый мех. Этот мех «растет» в тысячи раз быстрее, чем на овцах, а шубы из него получаются воздушные, теплые и гораздо более красивые.

В этой шубе трудно узнать порошок полимера, родившийся на донышке пробирки…

Полиэтилен более покладист. Но он требует для своего воспитания особых мер: на него надо воздействовать радиоактивными лучами. Воспитанный таким способом, он становится более прочным, лучше изолирует электрические провода, выдерживает жару на 100–150 градусов большую, чем раньше.

Каждый знает, как упаковывают товары: коробки укладывают рядышком, поплотнее друг к другу, заворачивают в бумагу и увязывают шпагатом. Химики тоже, отправляя новый полимер из лаборатории, стараются получше, как они выражаются, упаковать молекулы. Правда, они не пользуются ни оберточной бумагой, ни шпагатом: если удалось уложить молекулы более или менее плотно, они будут держаться друг за друга сами.

Воспитание полимера часто преследует именно эту цель — получше упаковать, уложить молекулярные ожерелья. Зачем это нужно? Оказывается, упаковка молекул полимеров, особенно тех, которые идут на волокно, — вещь чрезвычайно необходимая. У молекул часто бывает много отростков, торчащих во все стороны. Как уложить такие ожерелья аккуратно, друг возле друга, чтобы из молекул получился тугой жгут и, следовательно, прочное волокно? Это очень нелегко. И поэтому волокна, в основном, состоят из беспорядочно собранных вместе молекул.

Но… Ленинградские ученые превратили обыкновенный спирт в волокно винол. Пучок такого волокна толщиной в 1 миллиметр выдерживал груз около сорока килограммов — примерно столько, сколько обычный капрон, лавсан или медная проволока. А потом винол стали воспитывать, молекулярные отростки пригнули, примяли, чтоб они не так топорщились. И уж затем сделали волокно. Оно оказалось в три раза более прочным, чем раньше, и теперь могло сравниться с проволокой из легированной стали.

Почему это произошло? Проведем такой опыт. Возьмем небольшую ветку и попробуем ее сломать. Легко? Очень. Сколько таких веток ты можешь сломать? Двадцать? Сорок? Сто? Сколько угодно! Но при одном условии если ломать ветки по одной.

Теперь возьмем не сто веточек, а всего лишь десять и сложим их вместе, в один пучок (если боковые отростки мешают, их надо примять, пригнуть к главному стволу, чтобы ветки можно было уложить поплотнее друг к другу). Неплохо было бы еще и обмотать пучок бечевкой.

Что же после всех этих трудов у нас получилось? Да конечно — метла! Попробуй теперь сломать метлу… Впрочем, лучше и не пробуй. Из этого ничего не выйдет: десять веточек, когда они сопротивляются тебе дружно, все вместе, оказываются гораздо прочнее целой сотни, взятой разрозненно. Не зря говорят: согласному стаду и волк не страшен.

Или другой пример. Большой комок ваты. Он состоит из множества беспорядочно перепутанных белых хлопковых волоконец. Но разорвать этот ком не представляет никакого труда. А вот если взять этих волоконец в сто раз меньше, чуть-чуть их расправить, расчесать и сделать из них нитку (обыкновенную белую нитку), то она окажется гораздо прочнее большого кома ваты. Потому что волоконца в вате сопротивляются врозь, каждое само по себе, и легко одно за другим рвутся. В нитке же они действуют сообща, помогая друг другу.

Примерно то же происходит и с молекулами. Когда они уложены в волокно беспорядочно, волокно оказывается слабым. А вот если б удалось сделать из молекул волокно-«метлу», то, как считают ученые, можно было бы получать волокна в тысячи раз более прочные, чем те, которые мы вырабатываем сегодня…

Вот что значит воспитание!

НОВЫЕ СПОСОБНОСТИ ГИГАНТОВ

Ученым, которые изучают молекулы полимеров, однажды пришла на первый взгляд фантастическая идея. А что, если, подумали они, испытать в молекулярных зарослях метод… прививок? Этот метод (как и его название) полимерщики позаимствовали у садоводов — помните, прививку применяют, когда хотят, чтобы на яблоне росли груши.

Стали проводить опыты. С помощью различных хитростей отрывали от молекулы несколько отростков, а на их место прикрепляли кусочки ожерелий другого полимера. И молекула вдруг приобрела новые свойства! Когда к полиэтилену прирастили ветви полихлорвинила, полимер перестал бояться органических растворителей. Привитые териленовые и другие волокна приобрели способность легко окрашиваться.

С помощью прививок удалось присоединить к волокнам лекарственные вещества. Если из таких волокон (летулана, биолана, иодина) делать ткани, то они будут выполнять совершенно неожиданную роль — защищать нас от микробов и болезней.

Частицы различных веществ, содержащиеся в растворах, бывают иногда столь мелки, что их нельзя выловить с помощью обычных методов. И тогда на охоту выпускают молекулы ионитов, специально созданных химиками синтетических полимеров Эти молекулы имеют странный характер, они легко теряют свои собственные частицы, но жадно набрасываются на частицы других веществ и присоединяют их.

Любопытно, что у ионитов можно воспитать разные вкусы: одним больше всего будут «нравиться» частицы золота, другим — определенные соли, третьим — антибиотики. «Нюх» у полимеров-ищеек такой тонкий, что они отыскивают нужные вещества среди сотен других в любом загрязненном растворе. Их почти невозможно сбить со следа: в морской воде они легко находят и вылавливают все соли, и вода становится питьевой. В жидких промышленных отходах они безошибочно выслеживают невидимые крупицы платины, золота и серебра. Они очищают от примесей антибиотики, сахар, фруктовые соки, выделяют из раствора витамины. С помощью ионитов ученые пытаются создать «искусственную печень» — аппарат, который будет извлекать из крови вредные для организма вещества.

Иониты — это большей частью зернистый порошок. Чтобы заставить его работать, надо строить специальную установку. Но недавно удалось привить иониты к волокнообразующим полимерам. Из таких волокон можно делать ткани. Значит, возможно, настанет день, когда каждый из нас, отправляясь на лодке в море, сможет взять с собой ничем не примечательный матерчатый черпак. Зачерпнешь им из моря, и вода, просачиваясь сквозь материю, будет стекать в кружку уже чистой, пресной, вкусной: всю соль поглотят иониты, из которых сделана ткань…

А вот что еще умеют полимеры.

Ни для кого не секрет, что обычное сито, пропуская мелкие крупицы, удерживает крупные. Но далеко не все знают, что есть сита, в которых все получается наоборот: они пропускают большие частицы, а самые маленькие удерживают. Называются такие сита молекулярными, а предназначены они для просеивания… молекул.

Чудо-сито вовсе не похоже на то, через которое просеивают муку. Это порошок особого ионита. Каждая крошечная песчинка пронизана тысячами тончайших пор-каналов. Когда мимо этих песчинок течет раствор, мелкие молекулы или обломки их проникают в поры и задерживаются там. Отсюда их потом нетрудно извлечь. А вот крупные молекулы пробраться в поры не могут и проходят мимо вместе с раствором. Молекулярные сита работают на металлургических заводах, на химических комбинатах, в лабораториях ученых и помогают нам сберегать много времени и средств.

Современному химику, имеющему дело с высокомолекулярными соединениями, нередко приходится выступать в роли «портного» и сшивать молекулы друг с другом. Конечно, иглой здесь пользоваться нельзя, а нитками служат атомы. Изделие химиков-портных напоминает сеть: длинные параллельные ожерелья молекул соединены между собой короткими атомными перемычками. Кому нужны молекулярные сети? Нам с вами, потребителям химической продукции. Несминаемость тканей, нерастворимость и жаростойкость полимеров, эластичность или твердость пластмасс — все это результат сшивки молекул.

Итак, полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из длинных углеродных цепей. Поэтому их вырабатывают из богатых углеродом нефти, природного газа, угля. Но не только углерод способен образовывать длинные молекулярные цепи. Известны природные полимеры, состоящие из кремния — элемента, слагающего скалы и камни. Каждый из нас хорошо знаком с этими каменными полимерами. Обыкновенный песок — один из них. В песке трудно обнаружить что-либо родственное с теми высокомолекулярными соединениями, о которых мы все время говорили. И все-таки оно есть. Полимеры кремния особенно похожи на сшитые полимеры: их молекулы тоже образуют сеть. Правда, молекулярные нити песка не содержат углерода и состоят лишь из атомов кремния и кислорода. И сшиты они тем же кислородом.

Это и привлекло ученых. Они решили вырастить гибрид каменного и углеродного полимеров: в ячеи кремниевой сети врастили куски обычных полимеров. И получилось чудо: новые полимеры — их называют кремнийорганическими — унаследовали от камня стойкость к огню, морозу и кислороду, а от органических предков — гибкость, эластичность, упругость.

С такими способностями можно браться почти за любое трудное дело: защищать металлы от воды и ржавчины, надежно изолировать провода при жаре в 300–500 градусов, выступать в качестве термостойких смазок, лаков, покрытий… Вот почему кремнийорганические соединения все чаще приходят на заводы и даже отправляются в космические полеты.

ДВИЖЕТСЯ НЕСМЕТНАЯ РАТЬ…

Я смог рассказать об особенностях, характере, способностях лишь некоторых полимеров. А их сегодня множество. В пробирках рождаются новые, еще неизвестные никому гиганты микромира. Им давно потеряли счет. Сколько сейчас существует полимеров на свете, уже не знает никто. Но каждые десять минут появляется на свет новый полимер. За сутки их рождается 150, за год — 50 тысяч! Их воспитывают, обучают, и они идут на службу человеку. И не только туда, где без них никак не обойтись. Приобретая свойства старых материалов, они все решительнее занимают их место.

Зачем химики создают эту рать? Зачем посылают они свое полимерное войско, в наступление на наши привычные материалы — медь, свинец, платину, шелк, шерсть? Для чего, например, выпускать искусственное шелковое волокно, если тутовый шелкопряд дает отличный натуральный шелк? Чем пришлись не по вкусу нашим инженерам золото и платина, которые выдерживают действие почти любых едких веществ?

Ответ на все эти вопросы дает все та же арифметика. Полимеры стоят намного дешевле и меди, и свинца, и шерсти, не говоря уже о золоте или платине. И это — главное. Вот, скажем, из древесины, пропитанной полимерами и спрессованной, делают подшипники. Этот материал стоит в 20 раз дешевле, чем баббит, и в 10 раз дешевле бронзы (подшипники обычно изготовляют из этих сплавов). А работают «деревянно-полимерные» подшипники не хуже металлических. Во столько же раз дешевле обувь из искусственной и синтетической кожи по сравнению с натуральной. (Кстати сказать, из дешевой кожи, выращенной не в течение многих месяцев на теле животных, а в течение нескольких часов и даже минут в чреве машин, можно шить что угодно — ведь полимеры, из которых она изготовляется, способны передать ей любые из своих бесконечно разнообразных свойств: жесткость и эластичность, монолитность и многослойность, пористость и водонепроницаемость, огнестойкость и неизнашиваемость). Или взять волокно нитрон, о котором мы уже говорили. Тонна этой «химической шерсти» стоит 800 рублей. А шерсть, которую дают нам овцы, обходится в 3000 рублей за тонну.

«Царская водка», ядовитая смесь азотной и соляной кислот, без следа растворяет золото. До недавнего времени только платина выдерживала натиск этой агрессивной жидкости. А сейчас появился полимер фторопласт, прозванный за выносливость веществом с алмазным сердцем и шкурой носорога. Так вот этот скромный, незаметный родственник полиэтилена (его другое название: тетрафторэтилен) оказался не по зубам ни кипящим щелочам, ни «царской водке», ни плавиковой кислоте, разъедающей стекло. А стоит он настолько дешево в сравнении с драгоценной платиной, что из него формуют большие трубы для химических заводов.

Но не только в низкой стоимости сила полимеров. Они гораздо лучше металлов поддаются обработке. Значит, детали из них можно изготовлять гораздо быстрее, не нужны мощные фрезерные или токарные станки.

Одним словом, полимеры несут нам изобилие, делают нашу жизнь богатой, интересной, красивой. Пусть их добрая рать еще шире, еще стремительнее разворачивает наступление!