Все дальше отодвигаются границы невозможного для науки. Покорение энергии атома, решение проблемы космических полетов, создание квантовых генераторов, новых полимерных материалов, реальная возможность синтеза пищевых продуктов…
В 1960 году появились сообщения о синтезе одного из самых сложных продуктов природы — хлорофилла. Некоторые ученые шутили по этому поводу, что биохимикам остается теперь только синтезировать самое высшее достижение природы — человека.
Но возможен ли синтез без анализа? Нет. Это была бы игра «в темную» с природой. Сначала — тщательный анализ природного продукта, затем — длительная, трудоемкая работа по синтезу и — вновь анализ, но теперь уже того, что получено.
Для выяснения структуры вещества применяют разные методы. И ни один из них не универсален. Обычные химические методы исследования молекул очень сложны и трудоемки. Например, структура такого известного вещества, как камфара, изучалась в течение полувека, и лишь в 1903 году труд десятков химиков завершился синтезом этого соединения. Хинин, открытый в 1808 году, удалось синтезировать лишь в 1944 году.
С помощью обычных химических методов анализа часто вообще не удается проникнуть в тайну строения сложных молекул полимеров, антибиотиков, ферментов. Как же быть? Где тот универсальный метод анализа, который позволил бы «просветить» вещество и точно установить его структуру?
ОТКРЫТИЕ ВИЛЬЯМА ГЕРШЕЛЯ
На рубеже XVIII и XIX столетий англичанин немецкого происхождения, сын полкового музыканта Вильям Гершель занялся изучением оптики и астрономии. Научная интуиция его не подвела… Наблюдая в самодельный телескоп звездное небо, Гершель открыл новую планету — Уран, еще через несколько лет — обнаружил спутники Урана и Сатурна, а затем точно определил направление движения Солнца в мировом пространстве. В 1800 году, в возрасте 62 лет, Гершель заинтересовался распределением энергии в солнечном спектре. Направляя солнечный луч на стеклянную призму, Гершель получал видимый спектр. В разные его части он помещал ртутный термометр с зачерненным концом. Ученый обнаружил, что термометр показывает повышение температуры за красным концом спектра — там, где, собственно, не было видно никаких лучей. Следовательно, термометр нагревали какие-то новые, невидимые лучи, не известные еще науке. Гершель назвал их «невидимым светом». Он установил, что эти лучи испускаются не только Солнцем, но и раскаленными предметами, они подчиняются тем же физическим законам, что и видимый свет.
Позднее «невидимые лучи» Гершеля были названы инфракрасными, так как они расположены за красной границей спектра (латинское слово «инфра — «ниже, под»).
В наше время мы знаем, что инфракрасное, ИК-излучение так же, как и видимые лучи, — это электромагнитные колебания с длиной волны в диапазоне от 1 до 2000 микрон.
На ИК-снимках перед нами предстает необычный мир, где черные реки текут среди серебряных деревьев, живые существа светятся, а одежда иногда бывает прозрачной.
ИК-лучи проходят через вещества, непроницаемые для света, например, через ткани или эбонит, но зато хлорофилл растений отражает их, и поэтому на ИК-фотографиях листья растений, плодов и овощей получаются светлыми.
В 1955 году в Нью-Йорке две газеты тайком послали своих репортеров сфотографировать большие маневры пассивной обороны. Камеры фотоаппаратов были заряжены специальными пластинками, чувствительными к ИК-лучам. После проявления выяснилось, что оба репортера сфотографировали в темноте друг друга! Сейчас мы знаем, как это произошло: ведь все живые существа испускают ИК-лучи, но тогда это вызвало немалое удивление.
ИК-лучи, проходя через атмосферу, туман в отличие от видимых лучей почти не рассеиваются. Кроме того, относительный контраст различных частей объектов фотографирования в ИК-лучах очень резок. Это позволяет получать удивительные, уникальные фотографии.
Так, существует несколько ИК-снимков французского побережья, сделанных через Ла Манш из английского порта Дувр, фотографии Монблана, снятого с расстояния в 300 километров; в ряде случаев ИК-фотографирование дает удовлетворительные результаты при съемке с расстояния до 500 километров. Этим пользуются в астрономии и в военном деле.
ИК-лучи испускаются всеми нагретыми предметами, поэтому даже ночью, без дополнительного освещения, может быть получен снимок тепловой электростанции, движущегося паровоза, танка, корабля.
ПОДДЕЛКА ИЛИ ОРИГИНАЛ?
При помощи исследований ИК-лучами красок на картинах можно точно установить авторство того или иного художника. Так, однажды возникло сомнение в подлинности одной из картин Рембрандта, хранящейся в Метрополитен-музее в Нью-Йорке. Некоторые эксперты считали, что картина эта была закончена не самим Рембрандтом. На обычных фотографиях в видимом свете картина и копия с нее выглядели одинаково; однако их фотографические репродукции в ИК-лучах резко различались.
Сравнение и анализ обеих фотографий позволили установить, что картину написал сам Рембрандт. Или другой случай. ИК-фотография выявила в картине, приписываемой испанскому художнику Веласкесу, краски, которыми он никогда не пользовался. Автором картины «Страдания Христа» специалисты считали итальянского художника Карпаччио, а подписана она была именем Мантеньи. ИК-анализ показал, что подпись эта — подделка. Она была сделана взамен авторской на много лет позже!
С помощью ИК-фотографии был полностью восстановлен и точно расшифрован почти невидимый текст древней рукописи из Британского музея, сделанной на коже и датированной 1200 годом до н. э.
Этим же способом можно восстанавливать скрытые тексты и надписи, которые покрылись плесенью, обожжены огнем.
Некоторые чернила, содержащие китайскую тушь или берлинскую лазурь, на ИК-снимках получаются черными, тогда как обычные чернила — синие, красные, фиолетовые, содержащие анилиновые красители, на этих снимках остаются бесцветными. Поэтому, фотографируя под небольшим углом рукописи или документы на инфракрасную пластинку, можно обнаружить следы выскабливания или выведения текста.
В ряде случаев метод ИК-фотографии позволяет распознать пятна крови на темной ткани. К ИК-фотографии прибегают для обнаружения подделок драгоценных камней. Так, настоящий жемчуг более прозрачен для ИК-лучей и на отпечатке он получается светлее, чем искусственный. Словом, ИК-метод широко применяется в криминалистике.
АНАЛИЗ — СИНТЕЗ
Но наибольшее применение нашли, пожалуй, инфракрасные лучи в химии и смежных с ней областях науки. Известно, что каждое химическое соединение поглощает и пропускает волны строго определенной длины. Следовательно, у ученых появляется возможность по спектру поглощения вещества судить о его химическом составе и даже строении.
Что же происходит с веществом при освещении его инфракрасными лучами?
Мы знаем, что молекула состоит из атомов, которые удерживаются в определенном положении один относительно другого. Атомы реагируют на действие световой волны подобно пробковым шарам, «подпрыгивающим» на волнах. Как волны толкают вверх и вниз пробковый шарик, так и световая волна возбуждает над атомом электрическое поле, «толкающее» атом с большей или меньшей силой. Под действием этой волны атомы начинают совершать колебательное движение, частота которого определяется массой атомов и прочностью их связей между собой. Поглощая энергию световых квантов, молекула возбуждается.
Это возбуждение особенно сильно, когда происходит резонансная раскачка, то есть когда частота собственных колебаний атомов в молекуле равняется частоте возбуждающей волны. Оказалось, что как раз частоты собственных колебаний и вращений атомов в молекуле лежат в большинстве случаев в инфракрасной области. Энергия этих колебаний и обусловливает появление ИК-спектра молекулы. Прибор, в котором осуществляется этот процесс, называется инфракрасным спектрометром. Источник инфракрасного излучения — карборундовый или угольный стержень толщиной в мизинец, нагретый до 120 градусов — концентрирует поток ИК-лучей на испытуемом образце. После частичного поглощения исследуемым веществом ИК-лучи попадают на чувствительный термоэлемент — приемник энергии и после прохождения через электронный усилитель дают ИК-спектр поглощения, который автоматически записывается на специальной диаграмме.
Инфракрасный спектр дает наиболее тонкую характеристику вещества. Даже геометрические изомеры — соединения, построенные из одних и тех же атомов, но с разным их расположением в пространстве, отличаются друг от друга по ИК-спектру.
Высокая чувствительность ИК-спектра к изомерии учитывается при биохимических исследованиях, когда объектами исследований служат многие вещества, абсолютно сходные по составу, но имеющие небольшие структурные различия и поэтому играющие «разные роли». Так, по ИК-спектрам поглощения гормон эстрадиол, определяющий биологические особенности женского пола, можно легко отличить от мужского полового гормона тестостерона.
ИК-спектроскопия помогла ученым впервые узнать состав и строение молекул пенициллина и витамина С.
ИК-ЛУЧИ И ПОЛИМЕРЫ
Наша страна богата нефтью, углем, древесиной. Из них можно получить сотни тысяч различных соединений, имеющих большое практическое значение. Прошло то время, когда нефтью топили паровозы. «Нефть не топливо. Топить можно и ассигнациями». Эти слова Д. И. Менделеева, сказанные около 70 лет назад, оказались пророческими. Сейчас из этих даров природы химики получают несколько тысяч ценнейших химических продуктов.
Конечно, получение синтетических материалов невозможно без детального анализа исходного сырья. Однако для анализа смесей сложных органических веществ химические методы часто беспомощны. И здесь на помощь исследователям приходят инфракрасные лучи.
Вот пример. Углеводороды нефти состоят из большого количества изомеров. Различить их можно методом ИК-анализа. А знание состава и строения различных фракций перегонки нефти — необходимое условие для получения высококачественного моторного топлива.
Тщательный инфракрасный анализ горючих сланцев эстонского и волжского месторождений позволил получить десятки новых ценных продуктов их переработки. Как показал инфракрасный анализ, волжские сланцы отличаются от эстонских большим содержанием ароматических эфирных групп. Из волжских сланцев можно получить ценные лекарственные вещества, например, ихтиоловую мазь, вылечивающую многие кожные заболевания. Из 1 тонны эстонского сланца химики получают около 200 килограммов смолы, которая служит сырьем для приготовления пластических масс, моющих средств, смазочных материалов, заменителей олифы, синтетических дубителей и многих других веществ.
В последнее время появилось много работ по инфракрасному анализу целлюлозы, послужившей когда-то исходным материалом для получения первой в мире пластмассы — целлулоида. Анализ целлюлозы с помощью ИК-лучей позволяет совершенствовать технологию ее переработки и получать новые ценные материалы.
Процессы полимеризации и синтеза важнейших материалов —- синтетического каучука — полиизопрена, полиизобутилена, полистирола, полиэтилена и многих других важных веществ контролируются с помощью ИК-лучей. В зависимости от состава и строения полимеров в ИК-спектрах поглощения появляются соответствующие характеристические полосы. Измеряя положение и интенсивность этих полос, можно получить важные сведения о процессах полимеризации.
Химия и астрономия, физика и минералогия, лабораторные исследования в промышленности, палеонтология и палеоботаника, археология и разведка полезных ископаемых, медицина и криминалистика, биология и сельское хозяйство, промышленность, фотография, реставрация картин, — вот далеко не полный перечень различных сфер применения этих поистине чудесных «невидимых лучей».
Ю. ДРУГОВ,
И. ЕФИМОВ