Валентин Азерников - 200 лет спустя. Занимательная история каучука
Правда, если частички пыли совершенно себя ничем не стесняют, то молекулы каучука все же несколько ограничены в своих возможностях. Они скованы теми двумя спичками, которые вы всадили между некоторыми парами картошек.
Попробуйте повращать какую-нибудь картофелину вокруг одной спички, как вокруг оси. Вращается. А ту, которая надета на две? Ничего не получается.
Теперь вам ясна причина гибкости молекулы каучука; она вращается, как на шарнирах, вокруг всех своих одинарных связей, соединяющих атомы углерода. Поскольку эти связи находятся под определенным углом друг к другу, молекула может принимать самые невероятные очертания. Убедитесь вы в этом, если не побоитесь разломать творение своих рук. Попробуйте повращать картофелины вокруг спичек.
Но каждое положение, которое принимает молекула, длится всего триллионные доли секунды. Строго говоря, она вообще ни на мгновение не останавливается. Чтобы заставить ее замереть, надо сильно охладить молекулу. Тогда холод затормозит движение молекулы, скует ее, как сковывает воду мороз. Она замрет, парализованная, но в этот же момент пропадет ее эластичность. Вы уже не сможете растянуть свою рогатку — каучук сломается, как стекло.
И наоборот: если вы будете нагревать каучук, то звенья молекулы будут вращаться сильнее и она сильнее будет изгибаться.
Но значит ли это, что вообще нельзя говорить о ее какой-то конфигурации и что, следовательно, напрасно испорчен пищевой продукт? Нет, не значит Видим же мы фотографии бегунов, хотя они и меняют свое положение ежесекундно. Точно так же можно сделать мгновенную фотографию молекулы каучука. И для этого не надо фотоаппарата, пленки, проявителя. Не надо класть рогатку в холодильник, чтобы остановить вращение молекул. Нужны только угломер и игральная кость. И проволока. Проволоки много — 300 метров. И терпение. Терпения тоже много — еще больше, чем проволоки.
Работа предстоит не ахти какая сложная: тысячу раз бросить игральную кость и тысячу раз согнуть проволоку.
Только и всего? — скажете вы. Только и всего, — скажу я. И добавлю: это вполне серьезный научный эксперимент.
Спросите у своих друзей: много они занимались настоящим научным экспериментированием? Не таким, как сбор бабочек или натирание эбонитовой палочки мехом, а серьезным, которое было бы по плечу крупному ученому. Не очень-то, верно? А вы сейчас приобщитесь к настоящему научному творчеству. Вы повторите — точь-в-точь — тот эксперимент, с помощью которого была получена впервые мгновенная фотография молекулы каучука.
Вообще в науке не так уж много экспериментов, которые можно было бы взять вот так запросто и повторить на кухне. Но и не так уж мало. Особенно в науке XVIII и XIX веков. В то время вообще было модно ставить опыт как можно проще. Правда, иногда эта мода была вынужденная. Сейчас экспериментальная оснастка науки сильно увеличилась. Теперь считается даже плохим тоном ставить опыт без использования какой-нибудь электронно-счетной машины.
Опыт, который вы собираетесь сейчас проделать, был поставлен впервые, если не ошибаюсь, в начале сороковых годов нашего века. Наука тогда уже сильно усложнилась, но каким-то образом удавались иногда все же простые и очень наглядные работы.
Для начала несколько слов об азартных играх, которые имеют непосредственное отношение к тому, чему я собираюсь вас научить. Тут я хочу сразу оговориться: так же как и ваши родители, я противник любых азартных игр — будь то железка, очко или кости. Но, надо признаться, на этот раз они сослужили доброе дело.
Игра, в которую я вам предлагаю сыграть с каучуковой молекулой, преследует самые благородные цели. Хотя со стороны и может показаться, что вы уподобились какому-нибудь пирату Билли Бонсу из “Острова сокровищ”, на самом деле вы будете заняты совершенно невинным делом. Проигравшего в этой игре не будет. А вы наверняка выиграете.
Вы обогатитесь еще одной частичкой знания и еще на один шаг приблизитесь к ответу на вопрос, с которого мы начали эту главу, — почему стреляет рогатка.
Азартные игры — это такие игры, где исход совершенно не зависит от вашего умения и старания, а только лишь от случая. Когда играющие в кости по очереди бросают кубик (чаще они бросают сразу два), то предугадать заранее, сколько очков выпадет, нельзя. Если кубик имеет правильную форму и сделан из однородного материала и, следовательно, центр тяжести находится точно в центре куба, то упасть он может на любую из шести сторон, как получится, то есть исход броска подчиняется только случаю.
Вот с этим случаем вам и предстоит играть.
Точнее, играть будет каучуковая молекула, вы лишь станете бросать за нее кость.
В чем смысл игры?
Возьмите одно звено каучуковой молекулы и повращайте картофелину вокруг спички. Вы убедитесь, что атом углерода вращается вокруг одной из связей, очерчивая при этом другой связью в воздухе дугу. Если посмотреть на картофелину “в лоб”, то торчащая в ней спичка будет описывать круги, как часовая стрелка.
И вот, допустим, вы, решив сделать мгновенную фотографию молекулы, говорите, как доктор Фауст, герой Гете: “Остановись, мгновение”. Где оно остановится? На каком часе воображаемого циферблата замрет спичка?
А кто ее знает. На каком угодно. Это дело случая. Любое положение одинаково вероятно. Как и выпадение любой метки при бросании кости.
Вы уловили связь? Вы примете для себя, что метка 1 соответствует 12 часам, метка 2 — 2 часам, метка 3 — 4 часам, метка в 4 очка — 6 часам, 5 очков — 8 часам и б очков — 10 часам. Круг замыкается.
Теперь можно начинать игру. Бросайте кость. Смотрите, сколько выпало очков, и поворачивайте химическую связь, то есть спичку, в заданное положение.
Таким образом, вы повернете и все следующее звено молекулы, потому что следующая картофелина повернется вместе со спичкой.
Теперь вот что. Играть в эту игру с картошкой слишком неудобно и потом их не хватит на тысячу звеньев. Поэтому возьмите проволоку и считайте, что каждые три сантиметра соответствуют одному звену. И для простоты примем, что двойных связей нет, все одинарные. Бросайте кость, определяйте направление звена в пространстве по отношению к предыдущему звену (не забудьте про угол между ними, он равен 109 градусам) и изгибайте проволоку. Когда вы сделаете последний бросок и в последний раз изогнете проволочное звено, опыт будет считаться законченным. Перед вами мгновенная фотография молекулы каучука (слева), один из миллиардов ее положений в пространстве. Вы не мешали ей изгибаться, ничем не стесняли ее, не задавали ей никаких невозможных или маловероятных положений, — все выбирал господин случай. Вы не вмешивались в игру, вы только следили, чтобы выполнялись ее правила.
Конечно, если вы повторите весь опыт, портрет будет несколько иным, хотя и похожим. Это вполне закономерно, ибо здесь не может быть неправильных положений, любое положение возможно на какую-то долю секунды. Но как бы ни отличались они между собой, у них будет одна общая черта. И это для нас самое важное. Потому что именно она и поможет нам догадаться, почему же, собственно, стреляет рогатка.
Я избавлю вас от необходимости делать несколько фотографий, чтобы обнаружить это сходство. Просто укажу на него: начало и конец молекулы всегда подходят довольно близко друг к другу.
Очевидно, теперь вам уже совершенно ясно, почему каучук может растягиваться. Потому, во-первых, что при растяжении разводятся в разные стороны концы его скрученных молекул. Потому, во-вторых, что при этом еще как бы распутывается весь клубок молекулы, она распрямляется и сильно увеличивается в длину, словно пружина. Потому, в-третьих, что… Впрочем, давайте прежде еще несколько задержимся около во-первых и во-вторых.
До сих пор и вы и я делали вид, будто нас интересует только один на свете вопрос — почему стреляет рогатка. Я думаю, теперь настало время признаться себе: за этим вопросом мы скрывали интерес гораздо более широкий, интерес к тому непонятному явлению, когда резиновые вещи сжимаются и растягиваются и, словно ничего не было, возвращаются в исходное положение.
Вопрос надо ставить шире: почему каучук эластичен, почему, если его растянуть, он вновь сжимается.
Если бы ваша рогатка состояла всего из одной огромной молекулы, то тогда этого вопроса для нас уже не существовало бы. Ибо все было бы ясно как день. Когда вы растягиваете молекулу, вы тем самым с силой распрямляете ее, скрученную. И чем сильнее вы тянете, тем больше она распрямляется. Разумеется, существует предел ее растяжения — это ее длина. Когда вы вытянете всю молекулу в прямую линию, то дальше, сколько бы ни тянули ее, она не растянется, она лопнет, порвется, и вместо одной резинки у вас в руках останутся две.
Отсюда важный вывод: эластичность каучука зависит от длины молекул, — чем она длиннее, тем дальше можно развести их концы.
