Золото, пуля, спасительный яд

Но это еще полбеды. Поверхность любого твердого тела не только обладает избыточной энергией по сравнению с его внутренностью, она еще отличается от нее по химическому составу. Возьмем, например, монокристалл кремния, из которого делают любимые нами чипы, и расколем его пополам. При этом мы разорвем химические связи между атомами кремния, а природа, как известно, очень не любит разорванные связи. Если мы не предпримем специальные меры предосторожности и не удалим из окружающей среды кислород и воду, то “ненасыщенные” атомы кремния, находящиеся на поверхности разлома, немедленно вступят с ними во взаимодействие. Это будет даже не адсорбция, а настоящая химическая реакция. Что будет представлять собой при этом поверхность? Все зависит от того, с какой стороны на нее посмотреть. С одной – вроде бы кремний, с другой – диоксид кремния, с третьей – кремниевая кислота, а на самом деле ни то, ни другое, ни третье, но в любом случае нечто отличное от объема кристалла. Ученые с этим разбирались десятилетиями, но – разобрались.

Для нас сейчас важнее всего то, что какой бы ни была химическая структура поверхности, она все равно останется поверхностью, границей раздела фаз “твердое тело – газ” или “твердое тело – жидкость”, и будет исправно адсорбировать различные вещества. Более того, изменчивость свойств поверхности мы можем обратить себе на пользу. Исходя из одного и того же твердого тела и направленно изменяя свойства его поверхности, мы можем получать разные сорбенты, необходимые нам для решения конкретных практических задач.

Понятно, что чем больше поверхность твердого тела, тем большее количество вещества оно может поглотить. Также понятно, что для практических приложений важна не столько общая поверхность, сколько ее удельная величина, отнесенная к единице веса или объема сорбента. Как можно увеличить удельную поверхность твердого тела? Представим себе сплошной кубик с ребром 1 см. Легко подсчитать, что его поверхность составит 6 см2. А теперь возьмем дрель со сверлом диаметром несколько нанометров и начнем просверливать в кубике сквозные отверстия – поры, создавая при каждом проходе новую поверхность. В итоге мы получим все тот же кубик, но с суммарной поверхностью в сотни квадратных метров. Это именно та величина, которая нужна для практического применения.

У природы и ученых есть в арсенале более изощренные методы создания твердых тел с высокой удельной величиной поверхности, чем механическое сверление, но общий принцип сохраняется: все практически важные сорбенты имеют внутреннюю пористую структуру, характеризующуюся наноразмерами .

Таков активированный уголь, таблетки которого мы глотаем при желудочных отравлениях. Получают его до сих пор почти по Ловицу, обжигом без доступа воздуха древесины или костей животных, но лучше всего – скорлупы кокосовых орехов. Активацию полученного таким образом угля осуществляют попросту обработкой перегретым водяным паром, при этом вскрываются и очищаются внутренние поры, диаметр которых составляет несколько нанометров. После такой обработки активированный уголь готов принять на своей поверхности всякую гадость из содержимого нашего желудка, вредные вещества из питьевой воды или смолы из табачного дыма.

Другой сорбент, не менее важный и также встречающийся вам в быту, – силикагель. Пакетики с ним часто кладут в упаковку различных товаров, чтобы не отсыревали, – силикагель прекрасно сорбирует влагу из воздуха. По своему составу силикагель – тот же песок, только пористый. И получить его можно из песка с помощью незамысловатых операций – обработка щелочью, обработка кислотой, нагревание. Хитрость кроется в режимах обработки. Варьируя их, получают огромное количество марок силикагеля с различными диаметрами пор, в единицы и десятки нанометров.

И, говоря о сорбентах, нельзя обойти вниманием цеолиты – одно из самых совершенных и красивых творений мира неорганической природы. Казалось бы, обычная глина (даже и по составу), но заглянем внутрь! Представьте себе полость в форме правильного многогранника – кубооктаэдра, соединенную шестью “окнами” правильной формы с шестью точно такими же полостями и так до бесконечности, с регулярностью идеального кристалла. Собственно, цеолиты и являются кристаллами, но очень своеобразными. У меня же при взгляде на их структуру возникает другая ассоциация – с громадной космической станцией, одинаковые отсеки которой соединены между собой шлюзами.

Внутренний диаметр полости составляет 1,1–1,2 нм, форма же и диаметр “окон” зависит от типа цеолита. Бывают квадратные окна с диаметром менее 0,1 нм, шестичленные – 0,22 нм, восьмичленные – 0,4–0,5 нм, двенадцатичленные – 0,8–0,9 нм.