Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Вот так и получилось, что люди узнали о существовании мыла тысячи лет назад, научились его варить сотни лет назад, не имея ни малейшего понятия, что оно собой представляет и почему, собственно, смывает грязь. Первый вопрос прояснил в 1808 году французский химик Мишель Эжен Шеврёль (1786–1889[6]), среди прочего — иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Он был пионером в исследовании химического строения растительных и животных жиров, ему, в частности, принадлежит патент на изготовление хорошо нам известных стеариновых свеч, он его получил вместе с Жозефом Гей-Люссаком.

Неудивительно, что именно к Шеврёлю обратились владельцы некой текстильной фабрики с просьбой установить состав мыла, ведь его получали из животного жира обработкой содой. Ну и Шеврёль установил, что мыло — это натриевая соль длинной органической кислоты. Такие кислоты с тех пор так и называются — жирными. Внешне молекула мыла похожа на гусеницу: небольшая, хорошо смачивающаяся водой «головка» и длинный гидрофобный (плохо смачивающийся водой) «хвост». Впрочем, такие детали химики начала XIX века не могли даже вообразить, так что они удовлетворились установлением состава мыла и забыли о нем на многие десятилетия.

Заслуга Агнесс Покелс заключается в том, что она привлекла внимание ученых к этим, с одной стороны, хорошо известным, а с другой — абсолютно неизученным веществам. Она обнаружила, что мыло уменьшает поверхностное натяжение воды, что его молекулы каким-то образом «выносятся» на поверхность воды и изменяют ее свойства. Эти вещества были названы поверхностно-активными. Сейчас сокращение ПАВ известно всем и не нуждается в расшифровке[7]

.

Обнаруженный эффект гораздо проще объяснить с высоты нашего современного знания. Молекулам мыла, в целом плохо смачивающимся водой, некомфортно в толще воды, намного выгоднее им находиться на поверхности, опустив головку в воду и выставив хвост наружу. Опять полная аналогия с гусеницей, вгрызающейся в яблоко. Хвост может свободно изгибаться, но когда молекул на поверхности станет очень много, они покроют ее плотным слоем с частоколом вытянутых в струнку хвостов. Если смотреть снаружи на поверхность мыльной воды, то это будет уже и не вода, а нечто очень похожее на… масло.

Масло и вода — опыты Бенджамина Франклина. Он получал слои масла толщиной в несколько нанометров, двигаясь к ним, как сейчас принято говорить, сверху вниз, растягивая каплю жидкости сантиметрового диаметра в тонкую пленку площадью в сто квадратных метров. Покелс пришла к похожим слоям, двигаясь снизу вверх, от изолированных молекул, свободно плавающих в водном растворе, к их ассоциату бесконечной протяженности, состоящему из плотно прилегающих и определенным образом ориентированных молекул. Конечно, все это еще предстояло доказать, но направление движения Покелс задала.

Ответа же на вопрос, почему мыло смывает жир и грязь, пришлось ждать еще четверть века. Начало разгадке положил в 1913 году канадский химик Джеймс Уильям Макбейн (1882–1953), работавший тогда в английском Университете Бристоля. Он изучал электропроводность растворов мыла, которая оказалась аномально высокой. Для объяснения полученных результатов он предположил, что самоорганизация

молекул мыла может протекать не только на поверхности, но и в объеме раствора. Следуя Макбейну, мы можем зримо представить, как это происходит: гидрофобные «хвосты» молекул мыла сплетаются между собой, образуя подобие капельки масла, поверхность которой покрыта гидрофильными «головками», обращенными к воде. Эти гипотетические частицы Макбейн назвал мицеллами.

Последующие исследователи подтвердили правильность его предположения. Оказалось, что размер мицелл наиболее распространенных ПАВ составляет несколько нанометров, а в их состав входит несколько десятков молекул. Формируются мицеллы весьма необычно. Логично было бы предположить, что сначала в растворе образуются агрегаты из двух молекул, потом из трех и так до тех пор, пока не возникнет полноценная мицелла. Для нас, высших животных, такое поведение вполне естественно. Когда-то наши предки бродили в одиночестве по лесам и степям, потом стали сбиваться в семьи, роды, племена, чтобы в итоге превратиться в народ, нацию. Молекулы ПАВ ведут себя по-другому, при достижении некоторой критической концентрации в растворе они собираются в мицеллу без всяких промежуточных альянсов, раз — и готово! Кроме того, размер мицеллы остается практически постоянным при дальнейшем росте концентрации ПАВ, увеличивается при этом не число молекул ПАВ в мицелле, а число мицелл в растворе. То есть молекулы сразу находят оптимальный размер их сообщества, обеспечивающий им стабильное и комфортное существование, то, к чему мы, люди, приходим мучительным путем проб и ошибок.