Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

полимерной химии запаздывали, пока взрыв открытий в 1930-х гг. не привел к появлению новых материалов, которые изменили мир.

Полимеризация (Упрочнение)

Мягкие и блестящие

В те годы, когда работал блестящий молодой химик Уоллес Карозерс, в химии царила атмосфера оптимизма и открытий{140}. Карозерса, имевшего за плечами ученые степени Иллинойсского университета и год преподавания в Гарварде, пригласили в исследовательские лаборатории химического гиганта DuPont в Уилмингтоне, штат Делавэр. Руководство DuPont, убежденное в том, что коммерческий успех основан на фундаментальных исследованиях, в 1928 г. предложило Карозерсу вести группу, задача которой состояла в «инновационных исследованиях» полимерной химии. Карозерс и его коллеги быстро добились успеха, создав в 1930 г. первую синтетическую резину «неопрен», ныне всем известный материал для изготовления эластичных наколенников и гибких гидрокостюмов.

Наиболее значимый прорыв Карозерса произошел в феврале 1935 г., когда он изобрел нейлон — необыкновенный полимер, который можно нагреть, расплавить и сформировать из него волокна, пленки и множество других форм. Как новое вещество нейлон дебютировал в виде щетинок сувенирных зубных щеток, поступивших в продажу в 1938 г., а затем стал материалом для женских чулок, представленных на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 г. Однако по-настоящему широкое применение нейлон получил в армии во время Второй мировой войны, прежде всего в качестве заменителя парашютного шелка. Поскольку сфера использования материала резко расширилась, нейлон принес DuPont сотни миллиардов долларов прибыли.

Но Уоллес Карозерс этого успеха уже не увидел. Страдая от депрессии, переживая смерть своей сестры, чувствуя, что личная жизнь не сложилась и химическое вдохновение исчерпалось, он покончил с собой, проглотив цианистый калий через два дня после своего 41-го дня рождения.

Карозерс был дотошным химиком. Годами он носил капсулу цианида прикрепленной к цепочке часов. Он хорошо знал, как происходит отравление этим ядом: цианогруппа C≡N блокирует поступление кислорода в клетки тела. Такая простая молекула: два атома — углерод и азот, оба необходимые для жизни. Но атом углерода, соединенный тройной связью с атомом азота, вызывает смерть после того, как сердце и центральная нервная система отказывают. Будучи химиком-творцом, Карозерс растворил капсулу цианида в лимонном соке — кислоте, которая ускоряет воздействие яда.

Пенистые

Читая в Университете Джорджа Мейсона курс научной грамотности для студентов, я демонстрирую им простую полимеризацию с помощью безопасного и дешевого химического набора, имеющегося у любого представителя армии поставщиков образовательных материалов{141}. Поликонденсация — распространенная промышленная химическая реакция, когда многочисленные мономеры, каждый из которых представляет собой небольшую углеродсодержащую молекулу, соединяются концами друг с другом, формируя длинный, похожий на цепочку, полимер. В случае поликонденсации образование каждой новой химической связи высвобождает небольшую молекулу (обычно это вода или углекислый газ).

И все прошло бы хорошо, если бы я следовал инструкциям.

Сначала налить две жидкости — одну бесцветную, другую янтарного цвета — в пластиковую чашку. Затем тщательно перемешать их. Подождать две-три минуты. Реакция начинается медленно, с постепенным образованием мягкой желтой пены, но она ускоряется, когда пена поднимается куполом над краями чашки, переполняет ее, заливает стол и прилипает ко всему, чего коснется (в том числе и к пальцам). Пена рождается из молекул углекислого газа, которые высвобождаются при реакции поликонденсации. Всё это липкое месиво постепенно затвердевает в округлый прочный комок полиуретана — материала, идеально подходящего для безопасной упаковки хрупкой электроники, а также — в виде монтажной пены — для заполнения труднодоступных трещин и полостей.

Оглядываясь назад, я понимаю, что смешивать жидкости в пластиковой бутылке и закручивать на ней крышку было очень плохой идеей — особенно потому, что я не пробовал это делать раньше. Эксперимент начался хорошо, но, когда обычное пенообразование замедлилось, а потом и прекратилось, меня осенило, что в тонкой пластиковой бутылке, должно быть, увеличивается давление. По сути, я собрал перед аудиторией небольшое взрывное устройство и давление в нем быстро возрастало.

Это было глупо. Не пытайтесь повторить эксперимент дома.

Что же следовало сделать? Мне представлялось логичным уменьшить давление как можно быстрее, так что я начал откручивать крышечку и… БАХ! Открученная крышечка выстрелила прямо в потолок, отскочила от него и приземлилась в полуметре слева от меня. За этим метательным снарядом последовал потрясающий выплеск полиуретана, внезапно освобожденного из-под давления. Желтая масса выстрелила вверх метров на восемь и забрызгала плитки потолка кусками липкой желтой пены. (Последствия этого казуса все еще оставались там, когда я в последний раз проверял лекционный зал №80.) К счастью, никто не пострадал, хотя нескольких студентов в первых рядах неожиданно разукрасили маленькие желтые комочки липкой пены.

Ошибочные

Белки — это распространенные биополимеры, состоящие из линейной цепочки аминокислот, каждая из которых представляет собой небольшую углеродсодержащую молекулу. Структура белка определяется в основном точной последовательностью 20 разных аминокислот, используемых биологическими системами. Соединенные концами в эту последовательность, аминокислоты могут формировать плоские листы (как в хрящах), прочные волокна (волосы и сухожилия) или же более случайно закручивающиеся формы. Эти 20 аминокислот, сотнями или тысячами связанные вместе, способны образовывать белки почти всех размеров и форм, какие только можно себе представить.

Если речь идет о белке длиной в 147 аминокислот, то может показаться, что одна маленькая ошибка — например, валин вместо глутаминовой кислоты в шестом положении — не играет особой роли{142}. Но форма белка — это всё, и каждая аминокислота вносит свой вклад в эту форму. Соберите белковый полимер неправильно — замените глутаминовую кислоту валином в шестом положении бета-цепи гемоглобина эритроцитов — и, если провести аналогию с зигзагом, дефектный полимер сделает «зиг» вместо «зага». В данном случае последствием станет серповидноклеточная анемия — разрушительная болезнь крови, которая поражает одного из каждых 500 афроамериканцев. Кровяные клетки неправильной формы переносят меньше кислорода, чем нормальные, а сцепление между собой их серповидных форм приводит к тому, что они застревают в узких капиллярах. Страдающие серповидноклеточной анемией могут испытывать множество симптомов, подрывающих жизненные силы, включая усталость и бессилие, хроническую боль и сердечные приступы.

Подобные точечные мутации являются причиной десятков других генетических заболеваний: муковисцидоз вызывает скопление слизи и приводит к хроническим легочным инфекциям; болезнь Тея — Сакса разрушает нервные клетки в спинном и головном мозге; еще ряд мутаций являются причиной разнообразных нарушений зрения, которые вызывают дальтонизм. Некоторые ошибки в последовательности белковых аминокислот — как наследственные, так и приобретенные в течение жизни под воздействием физических и химических факторов риска — могут приводить к разным видам рака.

Если мы проживем достаточно долго, то