НЕЖИВАЯ ПРИРОДА. ТАКАЯ ЛИ ОНА НЕЖИВАЯ?
Доктор химических наук Г. БРАНИЦКИЙ (г. Минск)
Уверен, что название статьи может вызвать улыбку, ибо известно, что мир живой и неживой природы развивается по своим собственным, присущим ему внутренним законам. Однако оставим улыбку и обратим внимание на то, что слову "жизнь", несмотря на многочисленные попытки, еще не дано строгого однозначного определения. Например, энциклопедический словарь под редакцией И. Е. Андреевского, изданный в Санкт-Петербурге в 1900 году, утверждает: "Жизнь есть совокупность явлений, следующих одно за другим в организованных телах в течение ограниченного времени". Известный физик Э. Шредингер в книге "Что такое жизнь?" пишет: "Жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время". Так вот, процессы в неживой природе, о которых пойдет речь в статье, этим формулировкам не противоречат.
Я не ставлю целью дать новое определение слову "жизнь". Задача в другом: попытаться выявить общие признаки в развитии живых и неживых объектов природы, естественно, без заблуждений и иллюзий по поводу того, что неживые объекты, например кристаллы, минералы и слитки, способны рассказать свою биографию или обнаружить эмоции. Известный популяризатор научных знаний Я. И. Гегузин в увлекательной книге "Живой кристалл" (М.: Наука, 1981) писал, что люди, посвятившие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. О кристалле нередко говорят, как о живом существе, подчеркивая такие его свойства, как способность уставать, стареть, отдыхать, издавать звуки, как бы выражая недовольство тяжестью приложенной нагрузки. Некоторые сплавы (никель-титан, золото-кадмий, медь-алюминий-никель) могут запоминать свою первоначальную форму. Например, при пластической деформации форма изменяется, а затем полностью восстанавливается. Свойство памяти характерно для фотографических материалов. Они запоминают и долго хранят скрытую информацию об окружающем мире, записанную светом. Эта информация выявляется после проявления и фиксирования экспонированного фотослоя. Кристаллы имеют дефекты - отклонения от идеальной правильности в расположении атомов в узлах решетки, но если для живых существ дефекты - это недостатки, то для кристаллов во многих случаях - достоинства, определяющие их полезные для практики свойства - оптические, электрофизические, каталитические.
Один из любопытных химических процессов, в котором можно увидеть сходство с явлениями живой природы, - восстановление ионов серебра при контакте с активными металлами. Подобные опыты с серебром и другими металлами проводили еще средневековые алхимики. Они получали кристаллы разной формы - длинные иглы из амальгамы серебра на ртути, иглы олова на цинке, ветвистые кристаллы свинца на латуни, микрокристаллы меди на железе.
Сейчас принято описывать реакции контактного восстановления серебра простыми уравнениями типа Me + 2 AgNO3 → 2 Ag + Me (NO3)2, где Ме обозначает Zn, Cu, Hg или другие двухвалентные металлы. Считают, что эти реакции, как и процессы коррозии, протекают по электрохимическому механизму, включающему стадию окисления (Me → Me2+ + 2e), во время которой атом металла отдает два электрона, и стадию восстановления (Ag+ + e →Ago), когда ион серебра присоединяет электрон и превращается в нейтральный атом серебра. Но, глядя на сухие уравнения химических реакций, трудно предположить, что в результате получается не порошок, не пленка, а сказочно красивые скопления кристаллов необычной формы.
Наблюдая в микроскоп, как растут эти скопления (их называют нитевидно-волокнистыми структурами), можно увидеть определенное сходство с развитием растений. Возьмем, например, кусочек медной проволоки диаметром 0,3 мм и опустим ее в однопроцентный раствор нитрата серебра AgNO3. Вначале на всей поверхности металла образуются микроскопические кристаллики серебра черного цвета, своеобразные зародыши. Постепенно из зародышей образуется рыхлый и подвижный, как рой живых пчел, агрегат, состоящий из кристаллических волосков. При увеличении геометрических размеров "роя" из укрупнившихся зародышей начинают расти серебристо-белые дендритные кристаллы. "Рой" уплотняется, и весь агрегат приобретает серебристо-белый цвет. Затем с периферийных участков неожиданно начинают расти игольчатые кристаллы серебра с острыми или притупленными концами. "Рой" становится похож на кактус. На следующей стадии на иглах серебра появляются короткие ответвления, и они приобретают форму серебристых карликовых деревьев с ветвистой кроной. Потом рост игл замедляется, и на их концах формируются черные микрокристаллы серебра, такие же, как на первой стадии. В это время в растворе появляются микрокристаллы серебра: сначала - вокруг растущего серебряного агрегата, а затем - по всему объему. Микрокристаллы в растворе подвижны, их плоские грани хорошо отражают падающий свет, что выглядит как череда ярких вспышек.
На завершающей стадии вспышки прекращаются и поверхность всей нитевидно-волокнистой структуры покрывается рыхлым и подвижным слоем черных микрокристаллов серебра.
Сходство роста серебряных структур и растений в том, что сначала образуются "корешки" (волоски на поверхности меди), затем они превращаются в иглы (стебли растений), ветвятся (крона), покрываются черным ультрадисперсным серебром (плоды), микрокристаллы которого рассеиваются в объеме раствора (опадающие плоды).
Для восстановления серебра требуются электроны. Разрастающаяся нитевидно-волокнистая структура представляет собой разветвленную электрическую цепь, по которой электроны движутся от медной проволочки к концам серебряных игл. В том, что электрический ток действительно идет, легко убедиться, замкнув цепь проволочкой из электрохимически неактивного металла, например никеля или титана. Дополнив цепь микроамперметром, можно заметить, что электрический ток в ней не остается постоянным, а имеет осциллирующий характер. Причем колебания тока происходят в такт с изменениями скорости роста кристаллов серебра.
Интересно, что электроны, движущиеся по цепи, способны восстанавливать ионы серебра и на никелевой проволочке. В результате на поверхности никеля или титана появляются зародыши серебра, то есть происходит как бы "инфекционное" заражение неактивного металла активным. Функцию "возбудителя" инфекции выполняют не микробы, как в случае живых существ, а электроны.
В характере протекания "болезни" роста нитевидно-волокнистых структур на неактивном металле можно обнаружить признаки, свойственные заболеваниям живого организма: момент "заражения" - проникновение возбудителей (электронов) в здоровый организм (неактивный металл); скрытый (инкубационный) период - формирование зародышей; период нарастания "болезни" - рост зародышей и образование из них кристаллов серебра, а затем и нитевидно-волокнистых структур; период "затухания" болезни - уменьшение скорости роста кристаллов (из-за постепенного истощения раствора); и, наконец, период "осложнения заболевания" - образование микрокристаллов серебра в объеме раствора. Неактивный металл, перенесший "заболевание", не приобретает "иммунитета".
Для неживой, но развивающейся природы характерна еще одна примечательная особенность, свойственная живой, - своеобразная борьба за существование. Пример тому - соперничество ртути и меди. На медной проволочке растут кристаллы серебра, а на ртутной капле, с той стороны, которая удалена от медной проволочки, - дендритные кристаллы амальгамы серебра. (О выращивании кристаллов амальгамы серебра на ртути см. "Наука и жизнь" № 1, 1999 г.). Сначала ртуть как бы "обороняется", ее капля приобретает овальную форму, чтобы не допустить соприкосновения с кристаллами серебра, растущими на меди. Некоторым кристалликам все-таки удается коснуться капельки, но они мгновенно отскакивают от поверхности ртути. Такую периодически повторяющуюся картину можно наблюдать в микроскоп в течение 10-15 минут. Но наступает момент, когда отдельным иглам серебра все-таки удается "пробить" на поверхности ртути брешь. Ртуть их "заглатывает" и затем набрасывается всей своей мощью на "агрессора", образуя с ним единое целое. Эта новая структура продолжает изменяться: серебро с ртутью дает амальгаму, которая превращается в длинные иглы с веерами мелких отростков. Как и в живой природе, побеждает сильнейший - в данном случае ртуть.
Изучение роста необычных кристаллов имеет и практическое значение, поскольку небольшие по размерам кристаллические иглы (вискеры) обладают уникальной механической прочностью.
Интересными оптическими свойствами обладает нитевидное серебро в проявленных после экспонирования слоях хлорида серебра. Такое серебро полностью поглощает падающий свет, и именно поэтому видимое изображение кажется черно-белым. Но не менее интересно, что при определенных условиях обработки таких фотослоев вместо нитевидного серебра образуются коллоидные частицы металла, которые в зависимости от размеров и формы избирательно поглощают или рассеивают свет. В этом случае без использования красителей или окрашенных пигментов разработанными нами методами в фотослое можно сформировать красочное многоцветное изображение. Но это тема для отдельного разговора.
Читайте в любое время
