Бор
Название этого элемента чаще других встречается в самых разных словах русского языка: от глаголов и существительных до имён и географических названий. Конечно, это не более чем лингвистическая причуда, но так ли часто этот элемент встречается уже не в словах, а в реальной жизни? Вот это и попробуем выяснить, покопавшись в закромах «Науки и жизни». Так где же скрывается элемент, который одновременно и лес, и сосед бериллия по Периодической таблице – бор?
Соединения бора, например, триметилборат окрашивают пламя в зелёный цвет. Фото: Michael Budde/Flickr.com CC BY-SA 2.0
Для начала отправимся в небольшую итальянскую коммуну в регионе Тоскана с красивым названием Лардерелло. Сейчас в этом местечке производится около десятой части всей геотермальной энергии в мире, а почти двести лет назад горячие термальные воды использовали для получения из них борной кислоты. Воду из подземных источников, богатую бором, выпаривали в специальных железных ёмкостях, а в качестве топлива использовали дрова из ближайших лесов.
Такое расходование природных ресурсов даже в девятнадцатом веке многим казалось уж слишком расточительным, и в частности, французскому инженеру Франсуа де Лардерелю. Он придумал схему, как отказаться от сжигания древесины в пользу использования геотермальной энергии, переведя производство борной кислоты, как бы это сейчас сказали, на использование альтернативных источников энергии. За свою плодотворную деятельность Лардерел удостоился титула графа, а само геотермальное местечко стало носить имя французского инженера.
Лардерелло. Видны несколько больших градирен (охладительных башен). Видны Фото: Janericloebe/Wikimedia Commons PD
Если мы попробуем отыскать в природе чистый бор, то нас постигнет неудача – в виде простого вещества он в естественной среде, увы, не встречается: ни в горных породах, ни в воде, ни даже в метеоритах. Но если искать не простой бор, а его химические соединения, то всё будет совсем по-другому.
Один из основных минералов, содержащих бор, называется бура. Так называют и минерал и само химическое вещество, из которого он и состоит – тетраборат натрия. Его добывают в промышленных масштабах, чтобы потом получить из неё различные соединения бора, хотя и сама бура тоже находит применение, например, для добавки к боросиликатному стеклу или в качестве компонента моющего средства. Раствор тетрабората натрия имеет щелочную среду, поэтому он и кажется мыльным на ощупь. Хотя бура и не «настоящее» мыло, но с растворением жира справляется весьма неплохо.
Одно из необычных мест на планете, где можно встретиться с раствором тетрабората натрия – это озеро Моно в Калифорнии. Чтобы выжить в буквальном смысле в растворе для стирки, немногочисленным местным организмам приходится «изобретать» необычные решения. Например, мухи – береговушки, чтобы нырять в солёную и суперсмачивающую воду за едой и в ней не утонуть, стали супергидрофобными и обзавелись воздушным скафандром.
Вода озера Моно содержит много солей, в том числе тетраборат натрия. Фото: ™ Pacheco/Flickr.com CC BY-ND 2.0
Но если калифорнийские мухи-ныряльщицы живут скорее вопреки бору, то участвует ли этот элемент в каких-нибудь биологических процессах или живые существа только и вынуждены, что с ним бороться? Оказывается, что участвует, и ещё как! С бором даже напрямую связывают зарождение жизни на нашей планете!
Как мы знаем, основа всей земной жизни – молекулы ДНК, однако сами по себе эти молекулы достаточно беспомощны: чтобы развернуть полноценный био-конвейер самовоспроизводства и синтеза белков, им необходимы эти самые белки и к тому же ещё молекулы РНК. В итоге получается замкнутый круг, образно говоря, чтобы получилась курица, необходимо яйцо, а оно может взяться, в свою очередь, только из курицы. Так что же делать, если у нас нет ни «птиц», ни «яиц»?
Исследователи предположили, что функции ДНК на самой-самой заре возникновения жизни выполняли молекулы РНК: они могли воспроизводить сами себя и синтезировать различные вещества, в том числе и белки. А уже потом в результате накопленных мутаций образовалась существующая и поныне связка РНК-ДНК-белки. Но тут у биохимиков появились новые проблемы – как появилась сама РНК?
Один из её основных кирпичиков (напомним, что РНК – это рибонуклеиновая кислота), – сахар рибоза, не может долго существовать в воде и довольно быстро превращается в другие вещества, поэтому ряд учёных высказывал вполне обоснованные сомнения по поводу гипотезы РНК-мира. Однако на помощь нестабильной рибозе неожиданно пришёл бор, а если точнее, то соли борной кислоты – бораты.
Оказалось, что в присутствии в растворе боратов рибоза становится намного устойчивее, а значит, и синтез РНК уже не выглядит чем-то совсем уж невероятным. Интересно ещё и то, что большое содержание боратов обнаружили на метеорите марсианского происхождения. Поэтому на нашем соседе по Солнечной системе вполне могли существовать условия для зарождения жизни. А по мнению профессора Стива Беннера, основателя синтетической биологии, Марс, ныне безжизненный, насколько нам это сейчас известно, мог быть колыбелью жизни на Земле.
Могла ли жизнь на Марсе зародиться раньше чем на Земле? Фото: NASA/Goddard Space Flight Center/MOLA Team CC BY 2.0
Перейдём к более приземлённой во всех смыслах роли бора в живых организмах. Для растений это необходимый микроэлемент, без которого они плохо растут, плохо цветут и дают не менее плохой урожай, если вообще до него доходит дело. В частности, поэтому многие садоводы опрыскивают свою флору раствором борной кислоты – такие плоды и корнеплоды становятся больше и вкуснее, а садовых вредителей становится меньше, поскольку для многих насекомых борная кислота ядовита.
Кстати, борная кислота входит в состав смеси ингредиентов, которую сотрудники Лаборатории ядерных исследований имени Ферми используют для продления срока службы рождественских ёлок. Говорят, на новогодние ёлки этот состав действует аналогичным образом. Но, как и в любом хорошем деле, – главное, не переусердствовать. При избытке бора в почве растения страдают также, как и при его недостатке: замедляется рост, листья начинают отмирать сначала с краёв, а потом и целиком.
Недостаток бора у пальмы рода Причардия. Фото: Scot Nelson/Flickr.com PD
Что до влияния бора не на флору, а на фауну, то тут ситуация более сложная. Какой-то ощутимо полезной роли бора в организме человека и животных пока не было обнаружено, а вот вред бор может и нанести, притом весьма серьёзный. Борная кислота, полезная в умеренных количествах для растений, обладает бактерицидными свойствами, поэтому с конца девятнадцатого века её использовали в качестве антисептика для ран.
Хотя борная кислота была далеко не самым сильным противомикробным препаратом, но отсутствие цвета, запаха и раздражения от использования сделали её очень популярным бытовым антисептиком. К этому добавились ещё популярные в народе представления о «полезности» старых лекарственных средств, мол, в те времена использовали «настоящие» препараты, а не какую-то там современную вредную химию, которую производят корпорации.
Тюбик с борной мазью выпуска 1930-х годов. Фото: Superbass/Wikimedia Commons CC-BY-SA-4.0
К сожалению, за подобные убеждения пострадали самые беззащитные и невинные люди – маленькие дети. Дело в том, что если для взрослого человека с нормально работающими почками смертельная доза борной кислоты довольно большая и отравиться ей можно, только если целенаправленно её принять внутрь. А вот для больных с почечными нарушениями и для новорожденных детей, у которых чисто физиологически почечные функции ещё недоразвиты, борная кислота смертельно опасна. Вплоть до того, что обработанная раствором борной кислоты посуда грудничков может вызвать острое или хроническое отравление. И хоть борную кислоту перестали официально использовать для новорожденных и беременных женщин ещё в конце прошлого века, современное увлечение «народными» методами лечения и советами «из интернета» с лёгкостью может пополнить статистику испорченного здоровья и смертей, которых не должно было быть.
Безрассудное отношение к борной кислоте может дорого обойтись, особенно для детей. Фото: Etiproducts/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
У бора есть ещё одно уникальное свойство, благодаря которому этот элемент нашёл много сфер применения, порой довольно неожиданных. Бор в природе встречается в виде двух стабильных изотопов: бор-10 и бор-11. Так вот, первый из них примечателен тем, что он очень хорошо поглощает нейтроны, превращаясь в два стабильных элемента: гелий и литий. Это свойство используют ядерные физики, чтобы контролировать работу атомного реактора, и медики, при лечении некоторых видов опухолей.
В 2001 году хирурги из итальянского города Павия провели уникальную операцию: больному с неоперабельными метастазами в печени специальным образом подготовили больной орган, насытив раковые клетки веществом, содержащим бор. Затем эту печень вынули из пациента, отвезли в Институт ядерной физики, облучили нейтронами и поместили обратно в организм. Бор-10, поглотивший нейтроны и превратившийся в бор-11, распадается, как мы уже говорили, на ядро лития и альфа-частицу. Обе эти частицы быстро теряют энергию и тормозятся ещё в пределах раковой клетки, которая от такого неожиданного «поворота» событий с высокой вероятностью гибнет, но поскольку она и так была не здоровая, а раковая, то это положительный эффект. Тот пациент успешно перенёс эту сложную процедуру, полностью избавившись от метастаз в печени. Но, к сожалению, полностью избавиться от болезни ему не удалось – через четыре года рак снова вернулся, поразив другие органы, и на этот раз врачи уже оказались бессильны. Но, по крайней мере, бор подарил человеку несколько лет жизни.
Юбилейный 10000-й запуск импульсного реактора в лаборатории Sandia, Нью-Мексико. Фото: Nuclear Regulatory Commission/Wikimedia Commons
Расскажем ещё об одном удивительном способе, как бор может спасти жизнь. Одна из опасностей, подстерегающая людей – это неразорвавшиеся мины и снаряды, оставшиеся после боевых действий. Печально, но ни в двадцатом, ни в веке двадцать первом эта проблема никуда не делась, а судя по событиям последних лет, никуда и не денется. Даже завершившиеся военные конфликты продолжают забирать жизни мирных людей спустя годы и десятилетия.
Можно ли обнаружить закопанную в землю мину, не перепахивая бульдозером всю территорию вдоль и поперёк? Можно, говорят сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева РАН. Для этого нужно взять знания о химии взрывчатых веществ, добавить немного физики средних и высоких энергий, а результат поставить на что-нибудь самоходное и желательно дистанционно управляемое.
Дело в том, что взрывчатые вещества характеризуются определённым соотношением элементов, в частности углерода и азота. Если на эти атомы воздействовать мощным пучком гамма-квантов, а он может пройти и сквозь слой почвы, и сквозь корпус мины, то часть из них превратится в короткоживущие изотопы бор-12 и азот-12. Распад этих изотопов приводит к возникновению вторичных гамма-квантов, которые можно зафиксировать чувствительными детекторами на поверхности.
Таким образом, можно обнаружить и локализовать с точностью до сантиметра любой объект из органических веществ. Но как отличить взрывчатку от какого-нибудь затаившегося в норе крота, в организме которого есть и азот, и уж тем более углерод? Тут нам помогут знания химии, поскольку соотношение атомов углерода и азота в кроте и в фугасном снаряде всё-таки разное, то по спектру вторичных гамма-квантов можно с лёгкость отличить одно от другого.
Заминированная территория на Фолклендских островах. Фото: Stefan/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Со способностью изотопа бора-10 поглощать нейтроны связана ещё одна интересная технология. Если между двумя одинаковыми или разными материалами создать очень тонкий слой из вещества, содержащего бор, то при облучении такого пирога пучком нейтронов его начинка – прослойка бора, превращаясь в литий и гелий, кратковременно нагреет вещество вокруг себя до очень высокой температуры.
Толщина разогретого слоя измеряется десятками атомов, но этого оказывается достаточно, чтобы надёжно сплавить две детали. Конечно, у этого метода сварки есть свои недостатки: всё-таки и ядерный реактор с нейтронами не всегда есть под боком, да и остаточная радиация у материалов после такой ядерной сварки всё-таки появляется.
Борофен – двумерная структура из атомов бора, схожая по строению с графеном (визуализация микроскопии атомного разрешения). Фото: Argonne National Laboratory/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
И напоследок, коль скоро мы затронули тему сварки, пусть и с помощью ядерного реактора, то расскажем о том, как бор помогает сверлить и резать самые твёрдые материалы. Одно из самых твёрдых веществ, которое можно отыскать на Земле, это алмаз. С помощью алмазов можно обрабатывать практически любые материалы, сейчас нет проблем с покупкой свёрел, дисков или других инструментов с алмазным напылением.
Однако при всей прочности алмаза у него есть некоторые неочевидные на первый взгляд недостатки. Интуитивно кажется, что самый твёрдый элемент должен быть и самым устойчивым во всём остальном, например, не реагировать с другими веществами. Тем не менее, это не так, и алмаз, который представляет собой одну из форм углерода, может не только сгореть (такие опыты проделывал ещё Лавуазье во второй половине восемнадцатого века) но и растворяться в металлах.
То самое «мягкое» по сравнению с алмазом железо может при повышенной температуре растворять в себе атомы углерода, постепенно разъедая алмаз. Поэтому против перегрева бессильны даже алмазные инструменты. Если же мы возьмём кубический нитрид бора, который известен под торговыми марками эльбор или боразон, то ему уже будут не так страшны высокие температуры. Впрочем, из нитрида бора делают много интересных материалов, например, нанотрубки, с помощью которых пытаются придать композиционным материалам высокую прочность. И в этой области у бора есть очень много перспектив.
Микрофотография домена нитрида бора на железной подложке. Фото: Engineering at Cambridge/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
