«Алхимия и жизнь»

Благодаря материалам, свойствами которых ученые научились управлять, мы создали технологии и вещи, сформировавшие облик современного мира. Правда, некоторые из них повлияли на нас неожиданным образом: например, точные механические часы заставили нас иначе спать, а ограничения телеграфа сказались на том, как мы пишем. В книге «Алхимия и жизнь: Как люди и материалы меняли друг друга» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Дарьей Алюковой, материаловед и популяризатор науки Айнисса Рамирес рассказывает, как восемь изобретений — кварцевые часы, стальные рельсы, медные кабели связи, фотопленка с серебром, электрическая лампа с углеродной нитью, магнитный жесткий диск, стеклянная лабораторная посуда и кремниевые чипы — повлияли на человеческий опыт. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным изобретению новых типов оптического стекла, которые позволили создать точные оптические приборы и повысить качество измерений.

Сквозь тусклое стекло

Отто Шотт мечтал делать открытия в аккуратной и чистой химической лаборатории. К несчастью, он родился в семье стеклодувов в немецком Виттене в 1851 г., а их работа означала жар, пот и пыль мастерских. Из поколения в поколение его предки как со стороны матери, так и со стороны отца занимались этим тяжелым, скучным ремеслом, и само собой подразумевалось, что он присоединится к отцу на стекольной фабрике. Но у молодого Отто Шотта были другие планы. Начиная со старших классов в школе он посещал все занятия, какие только мог, чтобы подготовиться к получению ученой степени в органической химии. Шотт, невысокий и худощавый человек с длинными подкрученными усами, хотел оставить след в истории, занимаясь интеллектуальной работой по изучению материалов, а не тяжелым физическим трудом по их изготовлению. В 1870-х гг. химия в Германии проложила путь многим потрясающим нововведениям, особенно в производстве лекарств, удобрений и взрывчатки. Химики-органики были заворожены возможностью копировать природные вещества, такие, как ванилин, и искусственно воссоздавать их в лаборатории. Природа расставалась с секретами неохотно, но, когда их раскрывали, молекулы превращались в новые продукты, которые производили тоннами. Одной из таких побед, наверняка вызвавшей интерес у Шотта, стало создание в 1856 г. пурпурного красителя под названием «мовеин», когда Уильям Перкин превратил каменноугольную смолу в краситель ультрамодного цвета. Когда Шотт был ребенком, цветовая палитра тканей состояла из черного, красного или синего и все краски делали из растений, минералов и животных. Но благодаря пурпуру лабораторного происхождения появилась возможность создавать самые разные, более яркие цвета, сочетая его с другими пигментами, к тому же для этого не требовалось убивать живых существ. Германия стала крупнейшим производителем такой краски, монополистом, который, на радость публике, в больших объемах изготавливал «Пурпур Перкина», как его называл Чарльз Диккенс. Мир был восхищен возможностями органической химии, и Отто Шотт тоже.

Мечтая о танцующих молекулах, Шотт подал заявление в магистратуру Лейпцигского университета, чтобы написать докторскую диссертацию по органической химии. Но для него не нашлось места. Разочарованный, но не сломленный, он попытался попасть в органическую химию через боковую дверь — магистратуру по сельскохозяйственной химии. Но вскоре он потерял интерес к этому предмету и бросил занятия. Его мечта не сбылась, и он вернулся к стеклу — на сей раз в рамках аспирантуры, которую окончил в 1875 г. в Йенском университете, популярном и процветающем заведении, где когда-то учился и Карл Маркс. Диссертация Шотта была озаглавлена так: «Вклад в теорию и практику изготовления стекла» — этот предмет он хорошо знал с детства. Закончив учебу, он поступил на работу на стекольной фабрике, публикуя статьи о плавлении, упрочнении и химических элементах в составе стекла. Шотт вернулся в родной Виттен в 1878 г., продолжая экспериментировать со стеклом в фабричном цеху. И хотя его работа не воспламенила интерес мировой общественности, с помощью огня и химических веществ он надеялся понять устройство этого старинного материала и переосмыслить его.

Примерно в 250 милях к западу от Шотта с его смутными желаниями в лаборатории университетского города Йена томился от собственного бессилия Эрнест Аббе. Заслуженный профессор физики и директор обсерватории с телескопом, Аббе перестал доверять стеклянным линзам в своих микроскопах и телескопах. Профессор с типичным обликом математика: грива волос, которую он причесывал пальцами, заросшее седеющей бородой лицо и очки на кончике носа — заметил в линзах своих приборов множество изъянов, из-за чего через них было сложно что-либо рассмотреть. Иногда в стекле попадались пузырьки, полосы или бороздки, напоминающие узкую часть кильватера корабля. Порой стекло было мутным, тусклым или со свилями — неоднородностями, похожими на прожилки в мраморе. А главное, качество самого стекла было низким, потому что цвета белого изображения — например, синий и красный — разделялись, как если бы мы смотрели на изображение через современные анаглифические 3D-очки. С такими ужасными материалами не приходилось рассчитывать на научные прорывы, ведь стекло было сердцем любого из оптических инструментов. Без хорошего стекла наука была слепа.

Чтобы дать выход своей досаде по поводу отсутствия исследований о производстве стекла, профессор Аббе сделал то, что на его месте сделал бы любой ученый. В 1876 г. он написал отчет, показывающий, что будущее точных приборов вроде телескопов и микроскопов, которыми пользуются ученые в твидовых костюмах, находится в грубых мозолистых руках стеклодувов. Изначально стекло делали путем нагревания и смешивания ингредиентов — карбоната натрия (то есть соды), известняка (мела) и диоксида кремния (песка), в результате чего получался кронглас, который шел на оконные стекла и бутылки. Замена мела на соединения свинца давала более красивый материал — флинтглас, который называли также свинцовым хрусталем. Много веков существовали только эти две разновидности стекла, и Аббе заявил, что проводится недостаточно исследований, направленных на поиск новых соединений для производства стекла с улучшенными оптическими свойствами.

В своем отчете Аббе обозначил новое направление исследований, утверждая, что «требуется развитие новых типов оптического стекла с однородными, измеримыми и предсказуемыми свойствами». Аббе хотел, чтобы при производстве этого материала учитывался характер его взаимодействия со светом. Как пекарь меняет количество муки, воды, дрожжей и пищевой соды, чтобы изменить текстуру и вкус хлеба, так и Аббе желал знать, как химические ингредиенты влияют на способность стекла разложить белый свет на цвета радуги или преломить световой луч (вспомним, как соломинка в стакане с напитком кажется надломленной). Профессор Аббе хотел, чтобы эти свойства можно было прибавлять или убавлять надежно и контролируемо, а регулятором служили химические составляющие стекла. Также он упомянул в своем отчете, как мало сделано для исследования стекла за последние десятилетия, и открыто заявил то, о чем многие и так знали, но замалчивали, проявляя чрезмерную вежливость, в частности что производство стекла основано на традиционных рецептах вместо технических ноу-хау. А без таких ноу-хау наука не может идти вперед.

Три года спустя этот доклад попал в руки Отто Шотта, и в 1879 г. тот, в надежде избавиться от изнуряющего жара и грязи фабричного цеха, написал профессору письмо, вызвавшись предоставить ему разные виды стекла. Шотт разрабатывал систематический процесс производства стекла из разных химических ингредиентов в разных пропорциях, но у него не было доступа к лаборатории, чтобы провести научные эксперименты и выяснить, каковы их свойства. У Аббе был доступ к необходимым инструментам, но не было умения производить новые виды стекла. Вместе они были как инь и ян. Профессор Аббе хотел сотрудничать с человеком, не столь известным в мире науки, потому что ему нечего было терять. Отто готов был горы свернуть, так как для него это был отличный шанс. И он его не упустил.

Шотт отправил образцы стекла Аббе, но они не обладали нужными оптическими свойствами. Тем не менее между ними завязалась переписка, продлившаяся полтора года, и Шотт продолжал изготавливать стекло, комбинируя ингредиенты в разных пропорциях. Он мог делать более осмысленный выбор, чем ученые прошлого, потому что за двадцать лет до его экспериментов ученый из России Дмитрий Менделеев произвел в химии революцию эпохальным открытием периодической системы, где все существующие химические элементы организованы в таблицу и соседние по вертикали элементы имеют схожие свойства, как двоюродные братья и сестры. Используя периодическую систему, Шотт начал методично исследовать, как ведут себя разные составы стекла. Новые формулы, рассчитанные на основе таблицы Менделеева, позволяли Шотту делать более обоснованные предположения.

Шотт запланировал в 1880 г. изготавливать новые виды стекла, используя периодическую систему наподобие ресторанного меню и выбирая варианты из разных групп элементов — колонок, а иногда и из одной колонки, чтобы найти лучшие комбинации. Он начал с того, что добавил фосфор и бор. Осенью 1881 г. он сфокусировался на боре из буры, тетрабората натрия (который используется в моющих средствах), и обнаружил нечто многообещающее. Добавление борной кислоты в смесь создало новый тип материала — боросиликатное стекло, которое казалось безупречным. Шотт отправил его образцы профессору Аббе на проверку, с нетерпением ожидая результатов. И наступил день, когда Шотт получил от Аббе сообщение с поздравлениями. В датированном 7 октября 1881 г. письме Аббе писал: «Проблема, — так он называл наличие дефектов в оптическом стекле, — наконец решена». Профессор также пригласил Шотта приехать в Йену для демонстрации нового материала.

Продолжая совершенствовать рецептуру в течение следующего года, Отто Шотт осуществил свою тайную мечту. Аббе написал, что, по его мнению, Отто не стоит продолжать работу на стекольной фабрике, настаивая на том, чтобы тот работал в химической лаборатории в Йене. Шотт подготовился к отъезду.

В 1882 г. Отто Шотт переехал в Йену и в партнерстве с профессором Аббе и Карлом Цейсом (производителем микроскопов), с которым Аббе давно сотрудничал, открыл небольшое предприятие. Теперь опыты Шотта не ограничивались маленькими печками, где он мог создавать образцы объемом не больше чашки сахара. Его напоминающие огромные сосульки образцы были размером с шар для боулинга. В 1884 г. Шотт основал компанию Glastechnische Laboratorium Schott & Genossen для производства и продажи специализированного стекла. Первый каталог компании, опубликованный в 1886 г., содержал сорок четыре вида стекла, а к 1892 г. их стало семьдесят шесть.

Шотт разработал новые формулы для более качественных оптических линз, а потом еще и для термометров. В конце 1800-х гг. термометр в арсенале ученого был одним из немногих инструментов для контроля химической реакции. В то время химия знала только то, насколько можно нагреть что-то (температура), сколько это весит (масса), сколько места занимает (объем) и с какой силой давит на стенки емкости (давление). Многие ученые замечали, что показания их термометров завышены. Оказалось, что они не возвращались к исходному значению, когда остывали. Постоянный цикл нагревания-охлаждения, который проходили термометры, влиял на стекло таким образом, что головка термометра со ртутью деформировалась, заставляя ее ползти вверх. Это означало, что на последующие измерения температуры нельзя было полагаться. Изменив содержание бора, Шотт смог создать стекло, которое не деформировалось при нагревании, позволяя термометрам показывать точную температуру.

Сотрудничая с Аббе, Отто Шотт разработал много разновидностей стекла. Один вид не деформировался при нагревании, благодаря чему термометры точно измеряли температуру. Другой обладал лучшими оптическими свойствами и идеально подходил для научных приборов — телескопов и микроскопов. И, наконец, еще один не растворялся в воде, кислоте и прочих жидкостях, благодаря чему годился для лабораторных экспериментов. Основой его изобретений стал бор, но в каждом новом виде стекла Шотта он играл разные роли. Он производил варианты с низким, средним и высоким содержанием бора, подобно тому как шеф-повар готовит соусы разной остроты, добавляя в них то совсем чуть-чуть перца, то среднее количество, то совсем много. Чтобы получить стекло с усовершенствованными оптическими свойствами, к оконному стеклу добавляли небольшое количество бора, чтобы оно лучше преломляло свет. Для стекла, которое не деформируется при нагревании, требовалось много бора. Бор крепко держит другие атомы стабильными химическими связями, будто тугими пружинами, из-за чего получившееся стекло сопротивляется расширению при нагревании, в отличие от других разновидностей. И, наконец, для стекла, неуязвимого для опасных химикатов вроде кислот, содержание бора снижали до среднего уровня. Бор любит связываться с другими атомами, но в кислотах эти связи слабые. Так что некоторое количество бора убирали, заменяя другими составляющими. Взаимодействуя, все эти ингредиенты стабилизировали стекло в агрессивных условиях.

Вскоре продукция Шотта стала самой популярной среди ученых всего мира, и Германия теперь была основным поставщиком стекол для микроскопов, телескопов и лабораторной посуды (химических стаканов, колб и пробирок). Каждый ученый хотел заполучить оптические приборы с надписью JENA. Казалось, что у других производителей стекла не было шансов выйти на этот рынок. В одной компании на севере штата Нью-Йорк поняли, что их единственная возможность — обратиться к науке.

В начале ХХ в. американские производители хотели разработать альтернативу немецкому стеклу из Йены. Но разгадать формулу йенского боросиликатного стекла было непросто. Американцы знали, что бор являлся ключевым ингредиентом, но полная рецептура оставалась загадкой. Отто Шотт в статьях для специалистов перечислял факторы, позволяющие стеклу сохранять устойчивость к высоким температурам и большим перепадам температуры, но мало кто в индустрии мог на практике воплотить теорию из статей Шотта. Одна американская компания, Corning Glass Works из Корнинга, штат Нью-Йорк, знала, что для достижения успеха их рабочие в цехах нуждаются в помощи со стороны ученых.

Компания Corning Glass Works была семейным предприятием, которое переместилось из нью-йоркского Бруклина в Корнинг в 1868 г., чтобы по каналу транспортировать из Филадельфии товары и уголь для плавильных печей. Большую часть их продукции составляли декоративное стекло и столовая посуда, а потом еще и выдувное стекло ручной работы для ламп Эдисона. Они понимали: чтобы конкурировать с йенским стеклом, требовалась научная основа для новых товаров. Компания Corning начала отходить от рецептов изготовления стекла, которые передавались из поколения в поколение, и стала применять научный подход. Прежде всего руководство сказало рабочим, чтобы они записывали состав смеси на случай, если понадобится произвести дополнительную партию. В Corning также внедрили необычную практику для стекольной фабрики того времени — наняли ученых.

С 1908 г. химики стали постоянными сотрудниками Corning, и эти вложения оказались мудрым решением. Чтобы выделиться на фоне других производителей стекла и конкурировать с немцами, компании Corning требовались технические специалисты. Ученые Corning знали, что бор — ключевой ингредиент в этих инновационных разновидностях, и путем проб и ошибок все-таки смогли создать тип боросиликатного стекла, который назвали Nonex (cокращение от NON-Expanding — «нерасширяющееся» стекло). Увы, но Corning не могла проникнуть с ним на рынок лабораторной посуды. Их первые результаты не могли тягаться с йенским стеклом, на отработку технологии которого ушло пятнадцать лет. К тому же на немецкое стекло действовали низкие налоговые тарифы, так как изделия из него относились к категории образовательных товаров. Покупатели не видели смысла выбирать отечественное стекло, учитывая, что цена более качественного немецкого была не столь уж высока. Руководство Corning вынуждено было найти внутренний рынок для своего боросиликатного стекла и ради спасения компании от разорения обратилось к самой прибыльной отрасли в стране — железнодорожной.

В начале XX в. щупальца железных дорог дотянулись до самых отдаленных уголков страны. Уничтожая пространство своей скоростью, железная дорога сжала и время. Но скорость имела свою цену. Чем быстрее становились поезда, тем больше происходило несчастных случаев и столкновений, и возникла потребность улучшить сигнальную систему для обеспечения безопасности. Сигналы на путях сообщали поездам о необходимости остановиться при помощи света дуговой лампы за красным стеклом. Но в дождливые или снежные дни аварии происходили чаще. Помимо сложных погодных условий, свою лепту в рост аварийности внесла хрупкость стекла.

В плохую погоду стекло железнодорожного сигнала оказывалось между молотом и наковальней. Изнутри его подогревал жар дуговой лампы, из-за чего стекло расширялось, а снаружи оно сильно охлаждалось снегом или дождем и поэтому сжималось. Противоположные воздействия создавали внутренние напряжения, и, если стекло оставалось некоторое время в этом состоянии, оно лопалось. Красный сигнал командует поезду остановиться, но разбитое стекло уже не красное и дает машинисту команду проезжать, и этот ложный сигнал может оказаться смертельно опасным. И мало того, что погода испытывала стекло на прочность, еще и мальчишки хулиганили, стреляя по лампам из пневматических пистолетов, как по мишеням, и одной пульки было достаточно, чтобы стекло разлетелось на осколки. Железной дороге требовалось более качественное стекло, которое выдерживало бы непогоду и проделки мальчишек, и прочное стекло Nonex компании Corning соответствовало этим критериям.

Стекло, сделанное Corning, почти не подводило. Но компания скоро стала жертвой собственного успеха. Когда железные дороги перешли на их стекло, продажи взлетели, только вот его прочность означала, что однажды купленное изделие не требовалось заменять. Взлетевший, как ракета, спрос вскоре резко упал. Отсутствие запланированного износа или другого ограничения, обеспечившего бы дополнительные продажи, заставило компанию искать новые рынки для своей продукции. Помощь пришла, как ни странно, от кекса.

Подробнее читайте:
Рамирес А. Алхимия и жизнь: Как люди и материалы меняли друг друга / Айнисса Рамирес ; Пер. с англ. [Дарьи Алюковой] — М. : Альпина нон-фикшн, 2023. — 400 с.