Химия и материаловедение: от магии огня до квантовых тайн

Я в ярме беды томлюсь

Из-за того, что людям оказал почет.

В стволе нартека искру огнеродную

Тайком унес я: всех искусств учителем

Она для смертных стала и началом благ.

Эсхил. Прометей прикованный. Перевод с древнегреческого С.К. Апта

В миг, когда первобытный человек впервые подчинил себе силу огня, в том пожирающем дерево пламени зародилась химия. Смотрящий на обращающиеся золой ветви дикарь не осознавал, но он становился свидетелем чуда — его волей вещество преобразовывалось, изменялось. Для начала это знание давало нам простое тепло, затем позволило обращать глину в посуду, а металлы — в мечи. Мы забирались все глубже и глубже, взвешивая и разгоняя атом, пока понимание самых мелких частиц мироздания не позволило нам отправиться в космос. Все блага цивилизации, что известны нам сейчас, появились благодаря химии и материаловедению.

Древнего человека в первую очередь интересовало, конечно, именно материаловедение. Еще до того, как он успел задуматься, а что же такое «вещество», человек уже с успехом переплавлял металлы, создавал керамические изделия. В «доалхимический период» с успехом создавались духи и косметика, изделия из меди, свинца, олова, железа. Химики за два тысячелетия до нашей эры уже начинали понимать некоторые процессы, позволяющие укреплять материал, та же закалка металлов была им известна. Все это была «ремесленная химия», направленная на решение практических проблем человека.

Затем в стенах Александрийской академии ремесло стало обращаться в учение — пока еще не науку, но ее зачаток. Под практические знания о веществах египетские жрецы подвели эллинистическую теорию Аристотеля о четырех первородных стихиях. Преобразования веществ стали частью магии, ритуала, что раньше совсем не было характерно для простой работы по созданию подковы или краски. Мистические элементы будут сохраняться в алхимии еще очень и очень долго, породят сказки и легенды о философских камнях, эликсирах бессмертия и прочих чудесах. Хотя в основе будет все еще обычный химический процесс обращения одного вещества в другое.

Однако к XVII в. теории Аристотеля начали сдавать позиции. Пережив мощный технологический рывок, человечество осознало, что теоретическая база его изысканий сильно отстает от действительности. Появилась потребность не в доктринах и чудесах, а в научном доказательстве, в теориях, которые проверяются и доказываются, а не просто утверждаются. За это в первую очередь стоит благодарить англо-ирландского ученого, основателя аналитической химии Роберта Бойля.

Впрочем, первые теории тогдашней химии современному человеку все еще могут показаться скорее забавными, чем ценными. Взять то же понятие «флогистон», которое ввели Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь. Флогистоном объясняли горение веществ. По предположению ученых, именно он выделялся в виде пламени и содержался во всем, что горит, в большей или меньшей степени. Близким по смыслу было понятие «теплород» — некая невесомая материя, которая передает тепло между веществами. Во всех этих теориях наблюдается одно и то же ошибочное предположение, что у свойств вещества должен быть некий носитель, воплощающий эти самые свойства.         

С этим мнением не был согласен русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Хотя его молекулярно-кинетическая теория и была так же далека от реальности, она стала огромным шагом в сторону научной правды. М.В. Ломоносов предположил, что теплоту вещества вызывает соударение корпускул, мелких частиц, из которых вещество и состоит. Флогистон и теплород остаются в прошлом, теперь температура становится свойством самого вещества. Более того — от идеи частиц-корпускул всего несколько шагов до атомистической теории. Ее в начале XIX в. подтвердил английский химик Джон Дальтон.

После того как атомарность веществ была определена, а их многие свойства измерены, возникла острая потребность в классификации этих веществ. Огромную роль в решении этой проблемы сыграли два великих ученых: немецкий химик Юлиус Лотар Мейер и, конечно же, русский химик Дмитрий Иванович Менделеев. Именно их работы привели к созданию периодической системы элементов, где периодичность была исключительной заслугой русского ученого.  С этого момента начинается расцвет классической химии.

Химия становится одним из главных инструментов человечества по поиску ответов на загадки Вселенной. Открыт эффект радиоактивности, появляются квантовая химия и соответствующие теории. Теория веществ обязательно переходит в практику их использования, и здесь балом начинает править материаловедение. Новые сплавы, кремнезем и углеродные материалы были созданы для того, чтобы отправить человека в космос. Создаются пластмассы, полупроводники и биоматериалы.

Современные российские химики и материаловеды с достоинством продолжают великую работу их предшественников. В 2010 г. российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов стали лауреатами Нобелевской премии за изобретение самого тонкого и прочного электропроводящего материала — графена. Тогда же, в период с 2000 по 2010 г., в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне были впервые получены сверхтяжелые элементы таблицы Менделеева, а 118-й из них получил имя в честь академика Юрия Цолаковича Оганесяна — оганесон.