Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Внутри каждой ячейки жидкость удерживается поверхностным натяжением – той самой силой, которая делает воду влажной на ощупь, образует капли и позволяет им липнуть к предметам. Силы поверхностного натяжения внутри ячеек достаточно велики, чтобы не дать воде вытечь из желе, но слишком слабы, чтобы совершенно ее обездвижить, – вот почему желе дрожит и вот почему оно так странно ведет себя во рту: желе почти на 100 % состоит из воды, и, как только оно нагревается до 35 °C, внутренние желатиновые сетки тают, высвобождая воду. Но простое объяснение – вода, пойманная в крепкие сети, – не устроило Сэмюела Кистлера. Он хотел знать, насколько целостна и самодостаточна желатиновая структура. Иными словами, если бы нашелся способ удалить всю воду, сможет ли этот внутренний каркас существовать сам по себе? Чтобы ответить на этот вопрос, Кистлер провел серию экспериментов, результаты которых опубликовал в 1931 году в статье «Сплошные пористые аэрогели и желе» в журнале Nature . Вот что он пишет в преамбуле:

«Непрерывность жидкости, пропитывающей желе, доказывают процессы диффузии, синерезиса и ультрафильтрации. Тот факт, что такая жидкость может быть заменена другой, причем совершенно иного рода, ясно свидетельствует о том, что гелевая структура способна существовать независимо от жидкости, в которую погружена».

Кистлер хочет сказать, что, согласно результатам экспериментов, жидкость в желе представляет собой единое целое, а не разделена на части, и может быть заменена другой жидкостью. По его мнению, это доказывает, что твердый внутренний каркас желе действительно может существовать сам по себе, независимо от жидкости. Он также использует более общий термин «гель» вместо «желе», относя свои выводы к целому ряду желеобразных материалов, занимающих место между безусловно твердыми и безусловно жидкими веществами: от геля для волос и крепкого куриного бульона до цемента, в котором внутренний каркас-сетку составляют фибриллы силиката кальция.

Кистлер отмечает, что еще никому не удавалось отделить жидкость в желе от внутреннего каркаса:

«Попытки удалить жидкость путем выпаривания приводили к столь сильной усадке, что влияние на структуру оказывалось слишком глубоким».

Иными словами, когда воду пытались выпарить из желе, то замечали, что внутренний каркас просто разваливается. Но, торжественно объявляет Кистлер далее, он и его сотрудники нашли верный способ:

«Мистер Чарльз Ленд и я при любезно оказанной нам профессором Дж. У. Макбейном помощи предприняли попытку проверить гипотезу о том, что жидкость в желе можно заместить газом с незначительным или полным отсутствием усадки. Наши усилия увенчались полным успехом».

Хитрость состояла в том, чтобы заменить жидкость газом, пока она еще остается внутри желе, и таким образом использовать давление газа для поддержания каркаса. Впрочем, поначалу они применяли не газ, а жидкий растворитель (спирт), который легче было контролировать. Существовал риск испарения растворителя, однако ученые нашли способ его избежать:

«Простое выпаривание неизбежно приведет к усадке. Тем не менее, если желе поместить в закрытый автоклав с избыточным количеством жидкости и поднять температуру выше критической, а давление поддерживать на уровне предельного давления парообразования либо выше, то кипения жидкости не происходит, а следовательно, не происходит и сжатия геля из-за действия капиллярных сил на его поверхности».

Автоклав – это просто резервуар высокого давления, который подлежит нагреву. Из-за повышения давления в автоклаве жидкость внутри желе не закипает даже при температуре выше точки кипения. Капиллярные силы, о которых говорит Кистлер, обусловлены поверхностным натяжением жидкости. Кистлер предполагает, что по мере постепенного превращения жидкости в пар те же силы, которые удерживают вместе компоненты желе, начинают его разрывать. Но когда температура становится выше так называемой критической температуры, то граница между газом и жидкостью исчезает – и то и другое приходит в состояние с одинаковой плотностью и строением, то есть жидкость превращается в газ, минуя разрушительную стадию кипения. Кистлер пишет:

«Когда температура станет выше критической, жидкость напрямую, без закипания, превратится в газ. Желе так и «не узна́ет», что жидкость внутри его сеток стала газом».

Это же гениально: под давлением в автоклаве вновь образованный газ не может покинуть желе, и внутренний каркас остается невредимым: