Искатель. 1964. Выпуск №1

ДОРОГА ОТКРЫТИЙ

В современной химической науке — «области чудес», как называл ее А. М. Горький, — можно насчитать не один десяток направлений, по которым идет смелый исследовательский поиск и где воплощаются оригинальные творческие идеи. И на каждом из этих путей раскрываются удивительные возможности и необычайная щедрость химии.

Среди добрых чудес, совершенных человеком с помощью химии, — не только создание новых, невиданных материалов, не только успешная замена тех, что уже давно существуют, но и активное, направленное вмешательство в деятельность природы, творческое преображение того, что испокон веков давала она людям. Этому процессу обогащения и улучшения природных даров нет и не будет конца. Чем больших успехов достигнет человек на этом пути сегодня, тем больше возможностей откроется перед ним завтра. Об этом и пойдет рассказ нашего специального корреспондента В. Черниковой, побывавшей в одной из химических лабораторий.

Москва. Донская улица, 62. Текстильный институт, кафедра химических волокон. 9 часов 30 минут утра. В кабинете заведующего кафедрой профессора 3. А. Роговина закончены короткие утренние беседы с сотрудниками и определены планы работ на день. Лаборантке поручено отвечать на телефонные звонки и дозваниваться в десятки ведомств. Профессор открывает совещание с приехавшими заказчиками (сколько их побывает здесь за день и все будут просить о создании какой-нибудь ткани: для театра, библиотеки, для больницы, для строительства!). Значит, у нас есть в запасе минут тридцать, чтобы побродить по лаборатории, посмотреть на то, к чему привыкаешь как-то не сразу…

Здесь ткани, которым самой природой положено воспламеняться от малейшей искры, не боятся огня; волокна, «от бога» беззащитные перед сыростью, не гниют, а под лучами солнечного света, беспощадного своего врага, не ветшают. Здесь есть и совсем удивительное: ткани, которые могут извлекать металлы и лекарства из растворов, очищать воду, убивать бактерии, ткани, которые не тонут в воде и с которых дождевые капли скатываются, не оставляя следа. Здесь, в этой лаборатории, целлюлоза (а именно из нее сделаны все эти материалы) переживает свое второе рождение и усилиями химической науки укрепляет позиции в сегодняшнем дне.

Целлюлоза. Вечный и щедрый дар природы человеку. Камыш и кукурузная кочерыжка, солома, трава, лен, древесина… Материал, древний как мир и вечно обновляющийся с каждым весенним цветением. Вспомним. Целлюлоза сопровождала человека всегда. Веками одевала его, удовлетворяя и скромные потребности египетского феллаха, и претензии древнеримского щеголя, и затейливый вкус средневековой модницы, и жесткие требования специалистов, создающих одежду для космонавтов. Целлюлоза созидала, целлюлоза и разрушала. Бездымный порох — одно из орудий войны — родился в лабораториях естествоиспытателей тоже из целлюлозы!

И вот пришел момент, когда «веку целлюлозы» настал, казалось, конец. Соперничество тысячеликого заменителя — продукции синтетической химии — поставило под сомнение ее судьбу.

«Гниет, легко воспламеняется, боится действия света…» — шел строгий отсчет ее недостатков, неведомых синтетическим волокнам. И если бы не на что было опереться в этом споре, то и впрямь пришлось бы ветерану, подобно многим другим сверстникам, покинуть сцену.

Но силы нашлись. И немалые. Иначе не удивляли бы сейчас посетителей неприметные с виду, да особые качеством образцы тканей, не съезжались бы сюда заказчики со всей страны. Рассказать, как случилось, что природа изменила своему нраву, что волокна из целлюлозы не только сохранили, но и заметно расширили позиции, стали важнейшим материалом в народном хозяйстве, — таким было обещание профессора Роговина. И этой теме был посвящен разговор, начавшийся у него в кабинете после совещания.

— Всю свою творческую жизнь — свыше тридцати лет — я посвятил целлюлозе, — так начал рассказ Захар Александрович. — На первых порах это сложилось, может быть, и случайно: свою научную работу мне довелось начать аспирантом у известного советского ученого академика П. П. Шорыгина. Он-то и поручил мне тему по химии целлюлозы. Но если начало и складывалось в какой-то мере не по моей воле, то несколько лет работы сделали меня навсегда сторонником этого материала.

Раскрыть тайны строения целлюлозы, этого важнейшего полимера, синтезируемого природой в неограниченном количестве, понять секреты материала, воспроизвести который искусственно не удалось за все 80 лет существования химии целлюлозы, наконец избавить его от недостатков, данных ему природой, сделать целлюлозу лучше, совершенней, чем сумела это природа, — эти задачи не могут не увлечь исследователя. Тем более что сулит целлюлоза очень многое.

Объективности ради я признаюсь, что два раза в жизни все же изменил целлюлозе. Начало 40-х годов было особенным временем для химиков. Тогда бурным стартом начали свою жизнь синтетические волокна. И как это всегда бывает, новая, многообещающая область привлекла внимание ученых, пробудила массу идей. Стремление к новому, неизвестному взяло верх и у меня над старой привязанностью. В течение 4–5 лет нашими умами владел капрон. Волокна на его основе, ткани с новыми интересными свойствами — как это все увлекало!

Второе отступничество было продиктовано потерей перспективы в исследованиях. Это случилось в конце сороковых годов, когда нам с сотрудниками показалось, что работы наши зашли в тупик и путей для дальнейших поисков нет. Возникло мнение, что у целлюлозы нет никаких перспектив в соревновании с синтетическими материалами. В течение четырех лет мы бились над созданием синтетической целлюлозы, пытаясь понять ее строение, найти возможность улучшить ее качества. И не находили, все попытки кончались неудачей, синяя птица не давалась в руки, и мы переставали верить в то, что она вообще существует.

Иногда нам казалось, что успех близок, что вот-вот своими руками мы создадим бесконечно знакомую молекулу целлюлозы. Надежда поселялась в сердце, и мы с сотрудниками готовы были радоваться близкой удаче. Но снова и снова надежда оборачивалась разочарованием, и целлюлоза превращалась в бесперспективный предмет исследования, обреченный самим развитием химии на забвение.

В истории науки есть много случаев, когда поиск исследователя заходил в тупик и прекращался. Причиной служили разные обстоятельства. И неверно выбранный путь, и недостаточный уровень знаний, и ограниченные технические возможности. На наше счастье, мы вовремя поняли, что пошли в работе не тем путем. Будущее целлюлозы таилось не в синтезе этого материала, а в коренном его преображении, облагораживании, если хотите, в придании ему комплекса нужных свойств, в направленном изменении качества.

Сейчас, спустя почти 15 лет, довольно просто говорить о мучившей нас проблеме и констатировать прошлые ошибки. Но нужно все-таки реально представить себе настроение, царившее в нашей лаборатории, когда вдруг показалось, что перспективы дальнейших исследований не видно совсем. И это в то время, когда химия синтетических полимеров сумела прибавить к списку материалов, находящихся в пользовании человека, громадное множество новых названий. Многие коллеги выражали нам соболезнование, считая, что зря мы тратили время, когда вокруг есть так много интересных и, главное, перспективных проблем для исследования. Так вот и случилось, что мы перекинулись в другую область и за какое-то время наша лаборатория сумела прибавить к тому списку синтезированных веществ, о котором я говорил, еще несколько названий. И, может быть, этот успех навсегда отвратил бы нас от старой привязанности, если бы мы не нащупали новых, совсем новых позиций в работе над целлюлозой.

Скажу сразу, что это прозрение наступило не мгновенно и оно не было случайным озарением, счастливым совпадением обстоятельств, которыми богата история науки. У нас во время опыта не повышалось случайно давление в аппаратуре, не разбивался внезапно термометр и не разливалась на счастье ртуть, не слезала даже внезапно эмаль с автоклава, и мы одним махом не открывали нового класса полимеров. Просто в результате не одного года размышлений, дискуссий мы приходили постепенно к идее новой химии целлюлозы, которая должна была впитать в себя и все созданное раньше в химии этого материала и все самое современное из достижений химии синтетических полимеров. Одним словом, речь шла о коренном преобразовании целлюлозы, создании материала с принципиально новыми свойствами. И преобразование это мы собирались совершить, используя самые передовые, самые новые химические представления и методы.

По-настоящему работы развернулись в 1958 году, после майского Пленума ЦК КПСС, посвященного проблемам химии. Именно в этом году была создана комплексная научная лаборатория химических волокон при Московском текстильном институте, постепенно она пополнялась новыми сотрудниками, талантливой молодежью, которая приходила если не с запасом готовых идей, то со свежим интересом, с энтузиазмом, который так живителен для любой научной работы.

Скажу кстати, что широкое участие молодежи в работе — это, на мой взгляд, одно из важнейших условий, которое решает конечный успех любого творческого поиска. В наследство от каждого ученого остаются его открытия, его книги и его ученики. Открытия не всегда выдерживают долгое испытание временем, книги тоже устаревают. И только ученики — живые носители творческих идей остаются «вечным» наследством. Они смотрят в будущее глубже, дальше, эту привилегию дает им время и развитие науки, они выделяют из накопленной суммы знаний главное, самое ценное и передают его, в свою очередь, своим ученикам.

Такая живая эстафета идей имеет в моих глазах необычайную ценность, она служит основой создания научной школы. Поэтому именно на молодежь, на способную творческую молодежь мы делаем ставку в нашей работе, отбирая из каждого выпуска нашего и других институтов способных, увлеченных наукой молодых людей.

Итак, мы пришли к работе по созданию целлюлозы с принципиально новыми свойствами не по гладкой дороге.

Но с тех пор и посейчас каждый месяц, да что там, буквально каждый день открывает нам новые пути в работе, новые решения, новые возможности преобразования целлюлозы. Мы то и дело снова убеждаемся в мысли, что если умело использовать все потенциальные возможности целлюлозы, то эра этого материала практически никогда не кончится. Я думаю, то, что мы сейчас делаем, целлюлоза давно уже ждала. И давно уже заслужила. В 1970 году в нашей стране значительная часть всего текстильного сырья будет получена на основе целлюлозы. Так к заслуженному ветерану приходит в наши дни второе дыхание.

Химию целлюлозы сегодня определяют два основных направления. Но прежде чем рассказывать о них, разберемся, что представляет целлюлоза с химической точки зрения. Целлюлоза — это высокополимерное соединение, которое имеет в своей молекуле только один тип реакционно-способных групп. Иначе говоря, длинная цепочка молекулы целлюлозы составлена из сотен и тысяч отдельных звеньев глюкозы, которые по природе своей могут вступать только в совершенно определенные химические реакции. И вариантов их существует сравнительно немного. Вся классическая химия целлюлозы основывалась на превращениях этих групп, вот отсюда-то и лежал прямой путь в тот тупик, в который мы зашли в свое время.

Задача наша состояла в том, чтобы вывести целлюлозу за пределы ее химической ограниченности, получить новый, направленно измененный материал, имеющий любой тип реакционно-способных групп. А это значит, что мы хотели дать целлюлозе возможность вступать во все или почти во все виды реакций, которыми оперирует современная органическая химия. Решить эту задачу — значило необычайно расширить возможности химии целлюлозы, научиться создавать на ее основе материалы с комплексом любых заранее заданных свойств. Поставленная задача была очень трудна, мы шли непроторенными путями, но сегодня можно уже определенно сказать, что победа близка.

Ввести в молекулу целлюлозы различные химические группы не так-то просто. Но когда это удается, давно известный материал разительно меняет свои свойства. Из него можно формовать волокна с новыми свойствами, изготавливать новые типы пленок и лаков, которые в большом количестве нужны стране. К тому дню, когда мы с вами беседуем, созданы уже такие препараты целлюлозы, которые могут вступать почти во все известные химические реакции. Эти работы изменили представления о будущем целлюлозы. Позволили во многих областях уравнять ее шансы с шансами синтетических материалов. Но это только один путь преобразования целлюлозы. Он основан на последовательном применении методов классической органической химии.

Другой путь, и, кстати, наиболее перспективный, — использование для направленного изменения свойств целлюлозы методов современной химии синтетических полимеров. Создавая новые целлюлозные материалы, не надо ничего выдумывать специально. Надо только критически использовать то, что дают органическая химия и химия синтетических полимеров. Синтезируя целлюлозу, природа дает химику отличный исходный продукт, наделенный массой достоинств. Наиболее целесообразный путь работы — облагораживать целлюлозу путем так называемых прививок, создавать химический сплав важнейшего природного полимера с каким-либо другим полимером. И делать это не пропиткой ткани какими-то составами, не механической обработкой, а именно прививкой, подобно садовнику, выводящему новый сорт яблок, подобно металлургу, создающему новый сплав железа. И так же как чистое железо не интересует сейчас никого на свете, разве только физиков, изучающих кристаллографию металлов, как дикую яблоньку сажает сейчас в своем саду лишь редкий одиночка садовод, так и чистая целлюлоза должна будет в дальнейшем в значительной степени уступить место своим химическим сплавам.

Метод прививок к целлюлозе — наиболее реальный путь к совершенствованию этого материала. Он делает целлюлозу гидрофобной — отталкивающей воду — или, наоборот, придает ей способность полностью растворяться в воде. Тысячелетиями целлюлозу буквально поедали микробы — одежда ветшала от сырости, гнили рыбацкие сети. Химия создала целлюлозу, которая микробам уже «не по зубам». Но даже мирное сосуществование с бактериями кончается. Если в молекулу целлюлозы вводится какой-нибудь антисептик, то материал получает свойство убивать бактерии. Бактерицидная ткань — ткань со свойствами убивать бактерии сослужит большую службу врачам: из нее будут делать бинты и халаты, фильтры из этой ткани очищают воздух от микроорганизмов в помещениях, где вырабатывают антибиотики.

Под действием солнечного света молекула целлюлозы разрушается, происходит ее деструкция — распад на мелкие осколки. Особое вещество — светостабилизатор, привитый к целлюлозе, предотвращает цепную реакцию разрушения. Таким же способом придают целлюлозе стойкость к действию повышенных температур, только в этом случае в ее молекулу вводят термостабилизатор. На основе целлюлозы уже созданы и негорючие ткани для театральных занавесов и декораций, для защитной одежды автогенщиков и сварщиков, для отделки салонов самолетов и кораблей.

Наконец, метод прививок, или химической модификации, как мы нередко говорим, открыл для нас путь создания целлюлозы с ионообменными свойствами. А это значит, что ткани, сделанные из нее, смогут улавливать металлы из растворов и антибиотики из культуральных жидкостей, очищать сточные воды.

Совсем недавно был создан сплав целлюлозы с синтетическим полиллером нитрон. Мы получили волокно, которое даже опытные текстильщики на ощупь не могут отличить от шерсти. В этом году мы начинаем работы по широкому испытанию свойств этого нового волокна, названного нами мтилоном — в честь института, где мы работаем.

Вот так и случилось, что проблема, мучившая нас не так уж давно: природные волокна или синтетические? — решилась не по принципу «кто кого», а «кто с кем», союзом тех и других, взаимной выручкой и обогащением. Этот метод направленного изменения свойств, метод прививок дал нам большие возможности. Однако я не открою большого секрета, если скажу, что любую задачу важно решить не только в научном, но и в экономическом плане, дать новому материалу путь в промышленность.

Сегодня у нас на вооружении есть пять проверенных методов, с которыми мы идем в промышленность. Это результат приблизительно трех лет работы, и он нас радует. Но завтра — я знаю — придется искать шестой, седьмой, десятый. И трудно сейчас загадывать, какими вехами будет отмечен этот путь.

Привить целлюлозе какой-нибудь «черенок» не так уж просто. Требования, предъявляемые к результату той или иной прививки, сам прививаемый полимер вызывают порой необходимость разработки своего особого метода. Но то, на чем успокаиваешься сегодня, не удовлетворяет тебя завтра: встает какая-нибудь новая задача. И снова начинается поиск.

Проблема получения привитых полимеров еще не вполне решена. Мы умеем сегодня подобрать нужный компонент сплава, но не научились еще отмерять необходимую длину присоединяемой молекулы, мы знаем заранее, каких результатов ждать от той или иной прививки, но не научились регулировать число прививаемых молекул…

Как видите, синяя птица как будто уже в руках, а конца поиска не видно. Да это и понятно. Во всех областях науки, где идет речь о создании материалов с заранее заданным комплексом свойств, открывается так много заманчивого, так много обещающего, что предсказывать сегодня пути, которыми пойдет дальнейшее научное исследование, несколько рискованно.

Я просто не решусь сегодня предсказать, над чем нам придется работать через десять лет. Но проблемы завтрашнего дня вырисовываются уже отчетливо. Нам очень хочется сочетать целлюлозу с ферментами и сделать ткань, обладающую свойствами фермента. Мы хотим присоединить к целлюлозе некоторые катализаторы и создать ткань, наделенную свойством ускорять течение химических реакций. Чем увлекательны эти работы?

Ферменты и катализаторы применяются сейчас в промышленности в огромных количествах. Первые помогают разжижать крахмал, обрабатывать мясо, консервировать продукты, вторые — получать серную кислоту и перерабатывать нефть и многое, многое другое. Без катализа не обходится ни одна промышленная химическая реакция. Но ферменты, например, можно использовать сейчас только в виде растворов, после участия в реакции они безвозвратно пропадают. А если перевести их в нерастворимую форму, превратить в ферменты тканевые материалы с огромной поверхностью? Это позволит создать принципиально новую аппаратуру — дешевую, удобную, это позволит превратить производство в непрерывный процесс. Результаты научной работы выразятся в итоге в виде крупных сэкономленных для государства средств.

А вот пример из другой области. Многие слышали о сибирском гнусе, знают, как трудно бороться с этим насекомым. Для защиты от гнуса сейчас пропитывают одежду особыми веществами — репеллентами. Но такую одежду нельзя стирать: пропитка быстро смывается. Наша идея вам, видимо, уже ясна. И если вы уже успели проникнуться верой в возможности целлюлозы, то легко представите себе ткань, к которой химически привит репеллент, ткань, не боящуюся стирки, надолго — до полного износа защищающую своего хозяина от комаров и гнуса.

Примеры эти можно умножать бесконечно. И, наконец, последнее. Я, кажется, говорил, что природа дает нам целлюлозу в неограниченных количествах. Но практически используем мы это богатство не по-хозяйски. Большую часть целлюлозы получают из древесины, и при этом используется только 40 процентов ценного полимера. Остаток переработки — полисахариды — не находит сейчас применения. Но уже вырисовываются пути использования всего богатства, получаемого нами. А это снова означает экономию миллионов и миллионов рублей.

Итак, я предупреждаю вопрос, который вы, видимо, зададите: не виден ли впереди еще какой-нибудь тупик, не грозит ли создателям новых целлюлозных материалов кризис идей? Всем сегодняшним выступлением, всем оружием фактов я пытался убедить, что третьей измены не предвидится. Путешествие в неизведанное продолжается.