Молекулы-цепочки изменили быт сильнее любой машины. А в них не верили

Пакет из магазина, нейлоновая куртка, одноразовый шприц: мы давно не замечаем таких вещей. Но за ними стоит одна идея, которую сто лет назад лучшие химики мира считали нелепой. Молекула может быть длинной, как бусы, и насчитывать тысячи одинаковых звеньев. Когда эту идею наконец признали, из таких цепочек стали делать почти всё, от чулок до хрусталика глаза. А потом оказалось, что природа додумалась до неё задолго до нас.

Сто лет назад гигантских молекул «не существовало»

Резина, шёлк, целлюлоза и крахмал ставили химиков в тупик. Эти вещества тянулись, образовывали вязкие растворы и вели себя совсем не так, как соль или сахар. Объяснение тогда было удобным: это рыхлые скопления маленьких молекул, которые слиплись под действием загадочных сил. Такие вещества называли коллоидами и особенно о них не думали.

В 1920 году немецкий химик Герман Штаудингер предложил другую картину. По его мысли, резина состоит из настоящих молекул, где тысячи звеньев соединены прочными химическими связями. Он назвал их макромолекулами. Коллеги спорили с ним больше десяти лет: молекула такого размера казалась им абсурдом. Нобелевскую премию Штаудингер получил только в 1953 году, когда ему был 71 год.

Первый синтетический пластик к тому времени уже существовал. В 1907 году Лео Бакеланд получил бакелит, но сам не понимал, что сделал. Идея Штаудингера давала больше, чем объяснение: если вещество — цепочка, то звенья и её длину можно выбирать самому.

Длина цепочки решает, получится газ или бронежилет

Этилен — лёгкий газ, его молекула состоит из шести атомов. Свяжите тысячи таких молекул в цепь, и выйдет полиэтилен, из которого делают пакеты, трубы и канистры. Атомы те же, а меняется только длина.

Чтобы понять, почему так, представьте тарелку макарон. Короткие рожки рассыпаются от лёгкого толчка. Длинные спагетти спутываются в клубок, который можно тянуть и мять, а разорвать трудно. Полимерные цепочки ведут себя так же, и от того, насколько они длинны и как уложены, зависит, выйдет мягкая плёнка или жёсткая каска.

Американский химик Уоллес Карозерс из компании DuPont воспользовался этим целенаправленно и в 1935 году получил нейлон. Нейлоновые чулки поступили в продажу в 1940 году и разошлись почти мгновенно. Полиэтилен появился иначе: в 1933 году в британской компании ICI Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон сжимали этилен под огромным давлением и нашли в аппарате белый воскообразный налёт. Реакцию запустили случайные следы кислорода. Во время войны этот налёт стал изоляцией для кабелей радаров. Но пластик тогда стоил дорого, и до кухонь он ещё не дошёл.

Дешёвый пластик подарил катализатор

В 1953 году Карл Циглер в Германии нашёл катализаторы, которые собирали полиэтилен при обычном давлении. Джулио Натта в Италии применил похожий подход и получил полипропилен с аккуратно упорядоченными цепочками. Оба получили Нобелевскую премию в 1963 году. Главное, что они сделали, — пластик стал дешёвым.

С 1950-х по 1980-е полимеры заполнили быт. Появились вёдра, трубы, упаковка, синтетические ткани. В 1965 году Стефани Кволек из DuPont создала кевлар: при том же весе волокно в несколько раз прочнее стали. В 1973 году Натаниэль Уайет запатентовал бутылку из полиэтилентерефталата, ту самую пластиковую бутылку для воды. Сегодня в мире производят около 400 миллионов тонн пластика в год. Самым смелым применением цепочек при этом стала не упаковка, а человеческое тело.

Мягкую линзу собрали на детском конструкторе

Во время Второй мировой британский офтальмолог Гарольд Ридли лечил лётчиков, которым в глаза попали осколки акрилового фонаря кабины. Он заметил, что глаз не отторгает этот полимер. В 1949 году Ридли вживил пациенту первый искусственный хрусталик. Теперь такие операции делают миллионами.

В Праге химик Отто Вихтерле создал гидрогель, полимер, который впитывает воду и становится мягким. В 1961 году он собрал дома вращающийся прибор из детского металлического конструктора и отлил на нём первые мягкие контактные линзы. Одноразовые шприцы, пакеты для крови, рассасывающиеся нити тоже построены на полимерных цепочках.

И тут идея Штаудингера разворачивается неожиданной стороной. ДНК — это цепочка нуклеотидов, белок — цепочка аминокислот. Мы сами в буквальном смысле сделаны из полимеров. Программы искусственного интеллекта вроде AlphaFold предсказывают, как белковая цепочка свернётся в рабочую форму, и решают для биологии ту же задачу, что химики решали для пластмасс. Но прочность, которая делает цепочки полезными, обернулась для нас проблемой.

Читайте также: Броуновское движение и Резерфорд: атом почти целиком состоит из пустоты

Цепочки, которые не хотят исчезать

Природные полимеры бактерии разбирают миллионы лет. Синтетические появились недавно, и почти ничто в природе их не ест. Переработкой возвращают лишь малую долю пластика, остальное копится на свалках и распадается на микрочастицы, которые находят в воде, почве и даже в тканях человека.

Надежду дала сама биология. В 2016 году японские учёные нашли бактерию Ideonella sakaiensis, которая умеет расщеплять бутылочный пластик. С помощью машинного обучения исследователи улучшили её фермент, и он стал работать заметно быстрее. Важная оговорка: пока это лабораторные и пилотные установки, и мировую проблему пластика они не решают.

Оглянитесь вокруг: одежда, чехол телефона, зубная щётка, ДНК в каждой клетке — всё это бусы из одинаковых звеньев. Главным изобретением XX века стала не машина, а понимание того, что вещество можно нанизывать звено за звеном. Теперь человечеству предстоит научиться так же аккуратно эти бусы расплетать. Другие истории о великих идеях ищите в разделе статей.

Ещё в «Высоких технологиях»

Атомы держатся, деля электроны. Эту идею нашли, рисуя неверные кубыClaude Cowork помнит по рецепту шумеров: всё важное лежит в файлахТаблица Менделеева предсказала металл и поправила его первооткрывателя

Все материалы раздела →