В один из вечеров 1881 года английский химик Фипсон получил от своего друга Томаса Гриффита письмо с очень странной новостью. Гриффит писал, что по его наблюдениям — и к вящему его удивлению — входная дверь почты, расположенной напротив его окон, в течение дня меняет свой цвет. Дверь темнеет, когда солнце находится в зените, и светлеет в сумерках — по мере ослабления солнечного света.
Заинтересовавшись сообщением, Фипсон провел немало анализов литопона — краски, которой была окрашена дверь почты. Наблюдения его друга подтвердились, но ученый сумел выдвинуть лишь несколько гипотез о химическом механизме странного явления.
К окончательному выводу он так и не пришел. Однако обратимой цветной реакцией не на шутку заинтересовались многие исследователи, и в начале двадцатого века им удалось синтезировать ряд органических веществ, названных «фотохромами», что значит примерно «светочувствительные краски». Если верить легенде, Александр Македонский одевал своих воинов в одежды, цвет которых менялся в зависимости от силы солнечного света. Говорят, таким образом полководец узнавал время дня. Весьма приблизительно, конечно…
Как мы видим, фотохромным веществам пришлось пережить довольно долгий период забвения, пока ими снова заинтересовались люди. И только совсем недавно они заняли прочное положение в научных лабораториях всего мира. Больше того, фотохромы появились в широкой продаже. Зимой этого года французские лыжники могли купить очки, стекла которых темнели на солнце и снова становились прозрачными в тени.
Фотохромные очки стали первым общедоступным результатом обширных исследований, проведенных в последние годы американскими и французскими химиками.
Со времен Фипсона ученые многое узнали о фотохромах. Прежде всего, они установили, что процесс, в результате которого фотохромные вещества мгновенно меняют цвет, протекает на молекулярном уровне. Со второй половины XIX века было известно, что окраска органических соединений зависит от присутствия в молекуле вещества особых, так называемых хромофорных (то есть, «несущих цвет») группировок атомов. И вот выяснилось, что под действием ультрафиолетовых лучей структура молекулы фотохрома меняется и в ней временно образуются хромофорные группировки. Вещество окрашивается. Но стоит прекратиться действию ультрафиолетового излучения, и первоначальная молекулярная структура восстанавливается, вещество опять становится бесцветным. Следует отметить, что процесс обесцвечивания всегда происходит медленнее, чем окраска, которая совершается чрезвычайно быстро.
Если на фотохромное вещество подействовала сильная вспышка света, то оно окрасится за какие-то микросекунды. Под действием солнечного света фотохромы темнеют не более чем за одну минуту. Потеря же окраски длится от нескольких десятков секунд до нескольких дней, в зависимости от характера вещества.
Изложенная выше упрощенная схема является лишь основой современных знаний о фотохромах. С тех пор, как пришли к выводу, что фотохромы могут получить широкое промышленное применение, перед исследователями была поставлена задача детально изучить все факторы, принимающие участие в процессе окрашивания. Один из таких факторов — температура. Заметим, что фотохромное стекло быстрее светлеет при нагревании. При очень низких температурах некоторые фотохромные вещества приобретают под действием света окраску иную, чем при нормальной температуре. Многие фотохромы — одновременно и термохромы, то есть и без светового облучения они способны менять цвет под действием нагревания или охлаждения.
Проблемой фотохромов много занимались исследователи во Франции и США. Но результаты, полученные в этих странах, различны. Американцы нашли, что микрокристаллы галоидного серебра (соли, применяемой в классических фотоэмульсиях), рассеянные в массе стекла, обладают фотохромными свойствами. Изменение этой сопи под действием света необратимо, если ее кристаллики рассеяны в фотоэмульсии. Но когда кристаллы изолированы друг от друга массой стекпа, то с прекращением облучения соль возвращается в исходное состояние. Под влиянием ультрафиолетовых лучей галоидное серебро окрашивает стекло в коричневый цвет, который исчезает, как только прекращается действие лучей.
Такие стекпа сохраняют фотохромные свойства практически неограниченное время. После 10 000 циклов окрашивания и обесцвечивания они не теряют своих свойств. Правда, процесс изготовления этих стекол весьма сложен; это сказывается на цене стекпа, поэтому оно не может получить пока широкого промышленного применения.
Стекла, созданные французами, по общему мнению, гораздо привлекательнее на вид и весьма конкурентоспособны по цене. Но, увы, они очень быстро «устают», теряя свои фотохромные свойства уже после нескольких циклов окрашивания. Основная задача, над которой работают сейчас французские химики,— увеличить долговечность этих стекол.
Фотохромные стекпа, которые можно сейчас увидеть во французских лабораториях, окрашиваются в разнообразные и очень красивые цвета — исследователи пользуются здесь различными фотохромными веществами. Кстати, еспи получение самого фотохромного вещества — процесс довольно тонкий, то введение фотохромов в стекло не представляет особых трудностей. Фотохромное вещество выступает как обыкновенный краситель, и вводится или непосредственно в стекло, или в наносимую на него глазурь, или окрашивает пластмассовую пленку, зажатую между двумя кусками стекла.
Фотохромными веществами можно окрашивать стекло для самых разных цепей. Разные фотохромы не только придают стеклу при облучении различную окраску, но и отличаются скоростью обесцвечивания.
Из всех возможных вариантов применения фотохромов наиболее важно, очевидно, остекление жилых и административных зданий. Фотохромные стекпа не требуют штор или жалюзи. Окна автоматически затемняются при ярком свете, и становятся прозрачными в сумерках — это особенно удобно дпя заводов и крупных учреждений, где площадь остекления очень велика. В дальнейшем фотохромные стекла будут все шире применяться в автомашинах, в диафрагмах фотоаппаратов, и, как уже говорилось, в солнцезащитных очках.
В США к фотохромам проявили интерес и военные. На бомбардировщиках устанавливают колпаки с фотохромным остеклением,— утверждают, что эта мера может предохранить глаза членов экипажа самолета от ослепительного света при взрыве атомной бомбы…
В Америке нашел поддержку еще один вид исследований, по общему мнению, весьма перспективных — речь идет о создании оптической системы «памяти» для вычислительных машин. Исследователям удалось «закрепить» фотохромные вещества в окрашенном состоянии. Этот же принцип позволяет создать фотопленки практически без зернистости, что дает возможность делать особо миниатюрные снимки.
Наконец, фотохромные вещества оказались полезными еще в одной области, довольно далекой от техники. Французский биохимик Пьер Дузу предложил использовать фотохромы в качестве моделей при биологических исследованиях. Его замысел был осуществлен в биофизической лаборатории Парижского музея естественной истории.
Схематически идея заключается в следующем. Методы исследования молекулярной биологии позволяют узнать состояние молекулы до и после процесса, происходящего в ней. Но промежуточные фазы обычно очень нестойки, да и само течение процесса не поддавалось наблюдению. Однако мы знаем, что фотохромные вещества в окрашенном состоянии находятся как раз в «промежуточной фазе». Так не попытаться ли отыскать такие биологические процессы, принцип которых сходен с действием фотохромных веществ!
Один эксперимент, поставленный Пьером Дузу, в частности, поясняет эту гипотезу. Существуют органические молекулы, в зависимости от условий, то гидрофобные, то гидрофильные. Эти молекулы в той форме, в которой их можно наблюдать обычными методами, всегда гидрофобны. Но как они будут вести себя в промежуточном состоянии? Опыт, проведенный с фотохромным веществом спиропираном, дал приемлемое обьяснение. Как и органические молекулы, о которых идет речь, спиропиран обычно гидрофобен. Растворенный в бензоле и подвергнутый ультрафиолетовому облучению, он окрашивается в синий цвет. Если в этот момент в раствор добавить воду и взболтать смесь, фотохромный спиропиран переходит в воду, окрашивая ее в розовый цвет. В промежуточном, окрашенном состоянии, спиропиран стал гидрофильным. Можно ожидать, что подобно спиропирану, органические молекулы проходят промежуточное состояние, которое мы не можем зафиксировать имеющимися средствами исследования. Это как раз и дает им возможность попеременно выступать в столь разных качествах: гидрофробном и гидрофильном.
Интересен и второй аспект сближения фотохромизма и биологических механизмов. Одна из самых больших загадок биологии заключается в том, что на многочисленные и необычайно сложные физико-химические реакции организм затрачивает чрезвычайно малое количество энергии. И опять-таки известно, что фотохромы меняют свою структуру также при очень небольшой затрате энергии. Значит, если рассматривать фотохромные превращения с точки зрения потребляемой энергии, то они становятся хорошим аналогом многочисленных биологических процессов. Примером могут служить процессы, связанные со зрением,— окрашивание и обесцвечивание пурпура сетчатки глаза.
Наконец, необычайно увлекательна гипотеза Пьера Дузу о физиологическом механизме памяти, основанном на процессах, аналогичных фотохромизму. Таким образом, смыкаются работы американских ученых и работников французской биофизической лаборатории. Одни на основе фотохромных веществ стремятся создать совершенную машинную память, другие ищут разгадку тайн человеческого мышления.
Жаклин Жиро