Валерий Чолаков
Нобеловите награди (39) (Учени и открития (1901–1982))

Колоидите

През 1926 г. учените от Шведската кралска академия на науките проявиха забележително единомислие. Нобеловите награди по физика и химия бяха дадени на учени, изследвали колоидите. Тези изследвания, освен че имаха чисто теоретично значение за химията, спомогнаха да се хвърли светлина върху атомно-молекулния строеж на веществото, от една страна, а от друга, положиха основата на една техника, която се оказа много важна за изследването на живата клетка и молекулите, които я изграждат.

Колоидите доста отдавна са известни на химията. Още Парацелз говори за аурум потабиле — питейно злато, което е всъщност колоиден разтвор на този метал. През 17 и 18 век бе наблюдавано пресичането и коагулирането на белтъчни и други разтвори. През 19 век с колоидите се занимаваха Берцелиус, Фарадей и други големи учени. В 1861 г. английският химик Т. Грейъм въведе термина „колоид“ от гръцката дума „кола“ — лепило. Той въобще разделяше веществата на две — кристалоиди и колоиди. Според него кристалоидите образуват обикновените разтвори, а колоидите — колоидни разтвори, които се характеризират с малка устойчивост, склонност към образуване на гелове, ниско осмотично налягане и т.н. Тази теория се оказа погрешна и до истинските представи за колоидите се достигна едва в края на миналия век, благодарение на изследванията на редица учени, сред които особено се откроява Рихард Жигмонди. Той пръв изясни тяхната хетерогенна природа.

В 1898 г. Жигмонди разработи нова методика за получаване на колоидни разтвори, а в 1903        г., заедно с Р. Зидентопф в заводите Цайс в Йена, създаде т.нар. ултрамикроскоп. В този оптически прибор обектите се осветяват отстрани и се наблюдават на тъмно поле. Специалните начини на осветление значително повишават възможностите на микроскопа и с него могат да се видят фините частици на колоидите. Със своя ултрамикроскоп Жигмонди проведе обширни изследвания на колоидните частици и предложи тяхната класификация. Тъй като частиците се виждаха добре, можеше да се изследва тяхното движение и процесите на свързване и утаяване, както и други явления в света на колоидите.

В началото на нашия век Жигмонди и редица други учени проведоха изследвания с помощта на новия ултрамикроскоп върху Брауновото движение. Това явление е открито в 1827 г. от шотландския ботаник Робърт Браун. Със своя микроскоп той наблюдавал капка вода, в която имало цветен прашец, и установил, че зрънцата на прашеца се движат хаотично без някаква видима причина. Доста дълго време никой не си е давал сметка колко дълбок смисъл има това наблюдение и едва в началото на 20 в., след работите на Алберт Айнщайн, Мариан Смолуховски и Жан Перен, този феномен получи обяснение.

Математическата теория на Брауновото движение бе създадена от Айнщайн в 1905 г. Тя се базира на кинетичната теория на газовете. Движението на колоидните частици се дължи на топлинното движение на молекулите на течността, които ги удрят. Теорията даваше възможност чрез изследване на колоидните частици да се изучават по косвен път самите молекули. Известният френски физик Жан Перен събра голям брой количествени данни, като със своя ултрамикроскоп изследваше не само хоризонталното движение на частиците, което е правил още Браун, но също така и вертикалното им разпределение. Въпреки действието на гравитацията колоидните частици не падат на дъното, а остават разпръснати в течността в концентрация, намаляваща нагоре. Брауновото движение и равновесието на утаяване дадоха възможност на Жан Перен да определи броя на молекулите в дадено количество течност. В началото на века, когато някои големи химици все още смятаха атомите и молекулите само за удобна абстракция, това откритие изигра важна роля.

Жан Перен е един доста оригинален учен и новатор във физиката. Той изследва катодните лъчи и показа, че те са поток от отрицателни частици, а после се зае с рентгеновите лъчи и радиоактивността. В 1903 г. предложи планетарен модел на атома, доста преди Ръдърфорд да получи експериментални доказателства за това. Случи се обаче така, че Перен остана в историята на науката със своите изследвания върху Брауновото движение. Докато другите работеха с вакуумни тръби и радиоактивни препарати, за да изследват строежа на веществото, той постигна същата цел с най-прости средства и това е може би е най-голямото доказателство за неговия талант.

Третият учен, станал известен с изследвания върху колоидите, е шведският химик Теодор Сведберг. През 1906 г., с ултрамикроскоп, той фотографира следите на колоидните частици и получи данни, подкрепящи теорията на Айнщайн за обясняване на Брауновото движение. Резултатите на Сведберг оказаха такова въздействие сред химиците, че дори великият Оствалд, който упорито отхвърляше съществуването на атомите, най-после промени мнението си и ги призна. Голямото откритие на Сведберг обаче е неговата ултрацентрофуга.

Опитите на Перен показаха, че въпреки земното притегляне колоидните частици остават в разтвора. За да може да ги утаи, Сведберг просто реши да увеличи силата на гравитацията. Апарат за тази цел отдавна съществуваше — това е центрофугата. Необходими са обаче много големи сили за утаяването на фините колоидни частици. За да го постигне, през 1922 г. Сведберг конструира центрофуга, която при 10 000 оборота в минута даваше ускорение 5000 пъти по-мощно от земното притегляне. Това означава, че частицата се утаява, като че ли има 5000 пъти по-голямо тегло.

Голямото значение на ултрацентрофугата бързо бе оценено от химиците, но истински широко приложение на тази техника осигуриха молекулярните биолози. Макромолекулите по своите размери се доближават към най-фините колоидни частици. Молекулните комплекси и клетъчни микроструктури също могат да бъдат превърнати в колоиден разтвор. По този начин ултрацентрофугата се оказа незаменим инструмент за ултраструктурните изследвания на клетката.

Дейността на Рихард Жигмонди, Жан Перен и Те Сведберг, трима от учените, които създадоха съвременната колоидна химия, бе достойно оценена от Нобеловите комитети по физика и химия през 1926 г. Жигмонди получи наградата по химия от предишната 1925 г. за приноси в изясняване на природата на колоидните разтвори и създадените във връзка с това методи. Наградата по химия за 1926 г. получи Сведберг за своята работа върху дисперсните системи. Наградата по физика за 1926 г. бе дадена на Жан Перен за откритото от него равновесие на утаяването, което бе едно от доказателствата за съществуването на молекулите.