Валерий Чолаков
Нобеловите награди (38) (Учени и открития (1901–1982))

Химия в две измерения

В началото на века, докато физиците овладяваха четиримерното пространство в теориите на Айнщайн, един млад учен се зае да изучава поведението на атомите и молекулите в двумерното пространство. Той се казваше Ървинг Лангмюър, а науката, в която направи толкова много приноси — химия на повърхностите. През лятната ваканция на 1909 г. по една случайност този 28-годишен преподавател по физика попадна в лабораториите на новосъздадената компания Дженерал електрик в Скенектади. В лабораторната работа и непрекъснатите експерименти той намери своето призвание.

По това време пред инженерите и експериментаторите особено остро стоеше въпросът за усъвършенствуване на електрическата лампа. Лангмюър постави експерименти, за да провери доколко наличието на газове влияе на светещата волфрамова нишка. С помощта на прецизна апаратура той установи, че в лампата, въпреки създадения вакуум, се натрупват водни пари. По-нататък стана ясно, че източник на парите е тънкият мономолекулярен слой вода, който остава по повърхността на стъкления балон, независимо от вакуума в него.

Ървинг Лангмюър намери начин да се отстранява водата от стъклените балони за лампите, но което е по-важно, в резултат на това откритие той се заинтригува от химичните явления по повърхността на веществата и наред с практическата си работа се насочи към теоретични изследвания, които го доведоха до интересни открития.

Някои явления по повърхността на твърдите тела и течностите бяха известни отдавна. По-специално повърхностното напрежение при течностите бе изследвано и свързано с процесите на взаимодействие между молекулите. Американският учен Уилард Гибс създаде на тази основа и теория за адсорбцията — полепването на частици по повърхността на твърдо тяло. Лангмюър разработи изцяло нова теория за химията на повърхностите (surface chemistry — б.м.). Той свърза тези явления с ненаситените валентни сили на атомите. Ако един атом се намира вътре във веществото, той отвсякъде е заобиколен с други атоми. На повърхността обаче той е свързан с тях само от вътрешната страна. Отвън пространството е празно и валентните сили на привличане остават свободни, докато не се адсорбира някоя молекула. Колко силно е това прикрепяне показва фактът, че стъклените балони за вакуумни лампи трябваше да се нагряват дълго време при висока температура, за да се отстранят водните молекули, полепнали по стъклото.

Създадената от Лангмюър теория за адсорбцията като проява на ненаситени валентни сили бе голямо постижение за химията. Това му донесе Нобеловата награда по химия за 1932 г. Изследването на този учен върху химията на повърхностите и неговите изводи бяха потвърдени с такива мощни методи като рентгеновата и електронна дифракция. Тези идеи бяха възприети в хетерогенната катализа, при която катализаторът обикновено е твърдо вещество и реакцията с другите вещества се осъществява по повърхността на твърдите частици по механизма на адсорбцията. В техниката бе изяснен механизмът на смазката и флотационните процеси при обогатяването на руди.

С явленията на адсорбция са свързани редица експериментални методи в химията. В 1903 г. руският учен Михаил Цвет, ботаник от Варшавския университет, използва въгленови филтри и други порести вещества с голяма вътрешна повърхност за разделянето на растителни пигменти. Той установи, че съставките на сместа преминават с различна скорост през колоната на филтъра и се адсорбират на различни места. По този начин зеленият растителен пигмент се разделя на различните видове хлорофил и други съпътствуващи съединения, което се вижда и в тръбата, запълнена с пореста материя, като слоеве с различно оцветяване. Този метод, получил названието хроматография, навлезе широко в биохимията през 40-те години на нашия век. По мнението на мнозина учени, Михаил Цвет сигурно би получил Нобеловата награда за своето откритие, ако не беше преждевременната му смърт през 1919 г.

Способите за разделяне на молекулите на базата на техните физикохимични свойства бяха усъвършенствувани от шведския учен Арне Тиселиус, ученик на Те Сведберг. Той успя да ги използва и за безцветни вещества. Нещо повече — Тиселиус осъществи количествен анализ на компонентите на сложните разтвори.

Биомолекулите, поради големите си размери, образуват разтвори от типа на колоидите. Тиселиус реши да използва електрическо поле в разтвора, за да раздели различните частици според електрическия заряд и размерите им. Тази експериментална техника се базираше на явлението електрофореза, известно още от 1807 г.

Успехите в тази насока донесоха на Арне Тиселиус Нобеловата награда по химия за 1948 г. Четири години по-късно такава награда бе дадена за по-нататъшно усъвършенствуване на биохимичните методи за анализ. Арчър Мартин и Ричард Синдж станаха Нобелови лауреати за широкото прилагане на нови разновидности хроматография.

Принципът на тези методи е много прост, както на самата хроматография въобще. Ако се капне една капка от някакъв разтвор върху филтърна хартия, петното започва да се разпространява, като при това някои компоненти изостават, защото молекулите им по-трудно минават през микрокапилярите на филтъра. Това се съчетава с използването на различни разтворители, за да се разпределят изследваните вещества по тяхната разтворимост и да се идентифицират максимално точно.

Създаването на разпределителната хроматография през 1939 г. и въвеждането на хартиената основа в 1944 г. се оказа извънредно ценно за съвременната биохимия. Приложени в различни експерименти, тези аналитични методи спомогнаха много за разкриването на структурата на сложните биомолекули.

Развитието на експерименталните методи, свързани с адсорбиционния анализ, е само част от химията на повърхностите. Изглежда, че в природата се предпочитат реакции в двуизмерното пространство. Наистина за два атома е много по-лесно да се срещнат и да реагират върху повърхност, отколкото в обем. Един поглед върху микроструктурата на клетката ни убеждава в това. Всички химични реакции се извършват върху мембрана, т.е. върху повърхност. Тези процеси са все още слабо изследвани и несъмнено в химията в две измерения има още много да се открива.