Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия

В 1898 г. Зигмонди разработал новую методику получения коллоидных растворов, а в 1903 г. вместе с Генрихом Фридрихом Вильгельмом Зидентопфом на заводах фирмы Карла Цейса в Йене создал так называемый ультрамикроскоп. В этом оптическом приборе объекты освещаются со стороны и наблюдаются на темном поле. Благодаря специальному способу освещения увеличение микроскопа значительно возрастает, что дает возможность наблюдать мельчайшие частицы коллоидов. С помощью ультрамикроскопа Зигмонди провел обширные исследования коллоидных частиц и произвел их классификацию. Большое увеличение позволяло исследовать движение частиц и процессы их соединения, выпадения в осадок и т. д.

В начале нашего века Зигмонди и некоторые другие ученые использовали ультрамикроскоп для исследования броуновского движения. Это явление было открыто в 1827 г. шотландским ботаником Робертом Броуном, в честь которого и получило свое название. Наблюдая в микроскоп движение цветочной пыльцы, взвешенной в воде, Броун заметил, что частички пыльцы без какой-либо видимой причины движутся хаотично. Долгое время никто не отдавал себе отчета в том, насколько глубокий смысл имеет это наблюдение, и лишь в начале XX в., после работ Альберта Эйнштейна, Мариана Смолуховского и Жана Батиста Перрена, это явление получило объяснение.

Математическая теория броуновского движения была разработана в 1905 г. А. Эйнштейном. В основу ее положена кинетическая теория газов. Движение коллоидных частиц вызывается тепловым движением молекул жидкости, с которыми они соударяются. Таким образом, теория давала возможность косвенным способом — путем исследования коллоидных частиц — изучать движение, самих молекул. Известный французский физик Жан Перрен собрал большое количество экспериментальных данных, исследуя с помощью ультрамикроскопа не только горизонтальное движение частиц (что делал еще Броун), но и распределение их по вертикали. Несмотря на действие силы тяжести, коллоидные частицы не падают на дно, а остаются рассеянными в жидкости, причем плотность их распределения уменьшается снизу вверх. Броуновское движение и седиментационное равновесие эмульсий дали Жану Перрену возможность определить число молекул в данном объеме жидкости. В начале века, когда некоторые даже крупные химики по-прежнему считали атомы и молекулы не реальными физическими объектами, а лишь удобной абстракцией, открытие Перрена сыграло важную роль.

Жан Перрен выполнил много оригинальных новаторских исследований. Он изучал катодные лучи и показал, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, занимался исследованием рентгеновских лучей и радиоактивности; в 1901 г. он предложил планетарную модель атома. Случилось, однако, так, что в истории науки Перрен известен прежде всего своими исследованиями броуновского движения. В то время как другие ученые использовали для изучения строения вещества вакуумные трубки и радиоактивные препараты, он достиг той же цели простейшими средствами, что, безусловно, служит важнейшим доказательством его таланта.

Третьим ученым, внесшим большой вклад в исследование коллоидов, был шведский химик Теодор Сведберг. В 1906 г., занимаясь изучением броуновского движения, он с помощью ультрамикроскопа сфотографировал следы коллоидных частиц и получил экспериментальные данные, подтверждающие теорию броуновского движения А. Эйнштейна и М. Смолуховского. Результаты Сведберга были настолько убедительны, что даже Оствальд, который упорно отказывался признать существование атомов, вынужден был изменить свое мнение. Самым крупным достижением Сведберга является, однако, изобретение ультрацентрифуги.

Опыты Перрена показали, что, несмотря на действие земного притяжения, коллоидные частицы остаются в растворе во взвешенном состоянии. Чтобы вызвать их осаждение, Сведберг решил просто увеличить силу тяготения. Аппарат, необходимый для этой цели, существовал давно — это центрифуга. Однако создаваемые ею центробежные силы были недостаточны для осаждения мельчайших коллоидных частиц. В 1922 г. Сведберг сконструировал центрифугу, которая, делая 10 000 оборотов в минуту, создавала ускорение, в 5000 раз превышающее ускорение силы тяжести. Это значит, что частица осаждается так, словно ее масса в 5000 раз больше реальной.

Важное значение ультрацентрифуги химики оценили довольно быстро, но по-настоящему незаменимой она оказалась в биохимии. По своим размерам макромолекулы близки к мельчайшим коллоидным частицам. Молекулярные комплексы и клеточные микроструктуры также можно превратить в коллоидный раствор. В результате ультрацентрифуга стала незаменимым инструментом для исследования компонентов живой клетки.