Глазами Монжа-Бертолле

Глава 3 Необыкновенная связь

С каждым днем стареют учебники. Всего четыре десятка лет назад сделало свой первый шаг строптивое дитя физики и математики — квантовая химия. А сколько классических представлений, выкристаллизовывавшихся веками, низвергло оно за короткий срок!

Уравнение Шредингера занимает ровно одну строчку. А отразило в себе, как капля воды Солнце, весь грандиозный опыт старой и новой физики.

Впрочем, оно явилось не только итогом научного прошлого. Оно стало мощным интуитивным рывком в будущее. Именно математическая интуиция предвосхитила явление электронного спина — фундаментальнейшую характеристику химической связи. Именно квантово-механические расчеты позволили химикам, как сквозь магический кристалл, заглянуть внутрь валентного штриха, проникнуть в быстрый и легкий мир призрачных электронных архитектур.

Спору нет, высоко вознеслось своими строгими и изящными формами современное здание квантовой химии над архаичными постройками химии лукрецианской. Но имеет ли это теоретическое здание «выходы» в практику? Или же химия производящая вынуждена в бесцельном ожидании томиться у его парадного подъезда?

Век девятнадцатый нередко называют веком пара и электричества. Но как назвать XX век? Атомным? Космическим? Веком полимеров? Или электронных машин? А может, веком сверхчистых веществ?

Любое из этих определений столь же правомерно, сколь и ошибочно. Правомерно потому, что именно в наш неугомонный век началось бурное развитие новейших технических областей, неузнаваемо преобразивших лицо планеты. И, ей-же-ей, нетрудно понять специалиста, когда он из самых чистых побуждений наделяет эпоху именем милого его сердцу направления. Быть может, даже чуточку переоценивая его значение и перспективы. И тем самым невольно умаляя роль чуждой сферы деятельности. В этом-то, пожалуй, и коренится ограниченность любого однозначного эпитета, которым награждают нынешний мир науки и техники. Он слишком многогранен, этот мир, чтобы любое лаконичное определение не грешило однобокостью.

И слишком беспокоен в своих дерзаниях, чтобы довольствоваться уже достигнутым и оставаться завтра таким же, как сегодня!

Но каким бы разносторонним ни был прогресс, которым гордятся ученые и инженеры XX века, на любом самом передовом участке размежеванной нивы знаний уже пожинаются или зреют гибридные плоды химии, физики и математики.

Лазеры. Полупроводники. Полимеры. Жароупорные покрытия. Медикаменты. Материалы для ядерной и ракетной техники. Надо ли перечислять дальше? Воистину необъятен диапазон, где приложимы идеи квантовой химии!

Энергетика. Вопрос вопросов технического прогресса. Перед глазами встают долговязые металлические мачты, шагающие с зажатыми под мышками проводами из конца в конец страны. Приземистые плотины ГЭС, в чреве которых клокочет вода, размолотая лопастями турбин. Нацеленные в небо жерла труб с зыбкими хоботами дыма, рвущегося из огнедышащих топок теплоэлектроцентралей. Массивная железобетонная броня атомных станций. Многометровые громады сооружений из камня и металла.

А если все иначе? Без труб и котлов, без плотин и турбин. Без угля, без воды, без урана. Просто открыл саквояж, распаковал палатку, поставил на солнцепек, и готово — включай ток. Вари уху на электроплитке, слушай радиопередачи, брейся электробритвой, заряжай аккумулятор впрок, чтобы и вечером было светло. И все от одного источника — полупроводниковых фотоэлементов, из которых сделана палатка. Фантазия? Мечта? Пожалуй. Но если и так, то не очень далекая от реальности.

Совсем недавно у полупроводниковых преобразователей солнечной энергии в электрическую коэффициент полезного действия не превышал жалких долей процента. А сегодня он подпрыгнул до 7–10 процентов. И это, понятно, не предел. Ученые упорно изыскивают фотохимические катализаторы, которые позволят эксплуатировать даровые солнечные лучи с кпд 30–40 процентов. Но развитие науки о фото- и термоэлектрических процессах немыслимо без квантово-механического понимания явлений электронных.

На первый взгляд кажется, будто нет особой нужды ловить солнечные зайчики. В самом деле: чем хуже солнечных лошадиные силы того же пара? А разве человек не запряг к тому же и атом? То ли будет впереди! На очереди — термоядерные электростанции. Уж тогда-то энергии будет хоть отбавляй.

Верно. Хоть отбавляй. Но надолго ли?

По расчетам советского ученого Иосифа Самойловича Шкловского, если каждое столетие объем производства будет удваиваться, то через 2500 лет он должен возрасти в 10 миллиардов раз! Это означает, что в 45 веке потребности землян в энергии составят величину космического порядка — 0,0001 «тотальной» мощности солнечного излучения. А возможности?

Подсчитано, что работа, которую способны дать все запасы атомного топлива, всего в 20–30 раз превосходит энергию горючих ископаемых, что лежат еще не добытые у нас под ногами. Спору нет, человечество овладеет секретом управляемого термоядерного синтеза. Тем не менее общая мощность термоядерных электростанций не может превзойти некоторый роковой предел. Академик Семенов считает, что это ограничение связано с перегревом земной поверхности и атмосферы. Так что едва ли удастся получать термоядерную энергию в количестве, большем 5–10 процентов солнечной энергии, поглощаемой нашей планетой и ее воздушным покрывалом. Вывод один: энергетические ресурсы Земли явно недостаточны для нормального развития общества разумных существ на протяжении нескольких тысячелетий.

Между тем при утилизации солнечной энергии перегрева Земли опасаться нет оснований. Солнце ежесекундно посылает нам сорок триллионов больших калорий. Правда, большая часть этих щедрых золотых потоков рассеивается и лишь отчасти поглощается атмосферой. Поверхности достигает около трети лучистой энергии; в южных широтах больше, в северных — меньше. Если всю ее полностью превратить в электрическую, то в производственной упряжке оказалось бы куда больше лошадиных сил, чем могли бы дать термоядерные станции. Даже десятой доли солнечного тепла и света — тех, что падают на поверхность одной только суши, — хватило бы для получения гигантских количеств энергии. В тысячи раз больших, чем ее нынешнее мировое производство.

Чтобы добиться желанного результата, придется покрывать фотоэлементами огромные участки суши, а может быть, и водоемов. Однако тонкие кристаллические пленки, германиевые или кремниевые, — штука капризная. Сейчас их составляют из отдельных кусочков — точь-в-точь как мозаичное панно. Но одно дело мозаика размером с книгу или с газету, как на спутнике, а другое — гектары лучеуловителей. Одно дело безвоздушный штиль космоса, другое — беспокойное царство земных стихий. Порыв сильного ветра, удар разгулявшейся волны — и хрупкий материал вышел из строя. Несравненно лучше гибкие полупроводники. Только где их взять?

Полимеры… Сколько осуществленных желаний, а еще больше надежд связано у людей с этим словом! Юная гвардия синтетической химии уверенно вытесняет ветеранов, служивших технике верой и правдой сотни и тысячи лет.

Прочен и красив гранит. Но как трудно его обрабатывать! Просто обрабатывать дерево, но постройки из него боятся малейшей искорки, быстро гниют. Стоек к сырости и огню железобетон, но уж слишком он «тяжел на подъем». Легок и долговечен алюминий, однако сквозь него ничего не увидишь. К тому же он легко растворяется в кислотах и щелочах. Бесстрашно отражает химические атаки стекло. Прозрачное, оно ничего не скрывает от любопытного глаза. Но недаром же его хрупкость пошла в пословицу!

Не сделаешь шестерню из камня, электрический изолятор из березы, корпус ракеты из железобетона, химическую колбу из алюминия, рессору из стекла.

Иное дело — полимеры. Сочетая в себе достоинство материалов-ветеранов, они обладают невиданными преимуществами. Из них уже делают прочные, легкие, прозрачные, химически стойкие, неприхотливые и недорогие пленки, под которыми прячутся целые гектары плантаций от мороза и других капризов погоды. По своим механическим свойствам полимеры были бы идеальным конструкционным материалом для солнечных ГЭС — гелиоэлектрических станций. Эх, если бы они обладали еще и полупроводниковыми свойствами! Тогда можно было бы…

Дух захватывает, если подумать, что принесут с собой полимеры-полупроводники! Электростанции в рулонах. Рубашка, которая одновременно является батарейкой. Мягкие приемники, телевизоры, даже электронно-счетные машины, складывающиеся, как зонтик, или, чего доброго, как носовой платок. С такой «амуницией» хоть на Луну. Однако насколько реальны эти мечты?

Помните сопряженные связи? Пожалуй, это и есть тот Рим, куда ведут сегодня дороги надежд квантовой химии.

Полимеры с сопряженными связями находятся в фокусе внимания ученых. Оно и понятно почему.

Если сигма-электроны, прикрепленные к атомам, вдруг срываются с насиженного места, химическая связь лопается. Соединение прекращает свое существование, распадаясь на два других. Совсем иначе ведут себя пи-электроны в сопряженных связях. Их никак не назовешь домоседами. Они могут свободно разгуливать вдоль всей цепочки атомов, придавая молекуле свойства сверхпроводника. Или полупроводника. Все зависит от различий в длине ординарных и двойных связей.

Вот гексатриен CH₂ = CH—CH = CH—CH = CH₂. Как и в бензоле, в нем шесть углеродных атомов и три двойные связи. Похоже, будто перед нами бензольное кольцо, разрезанное одним взмахом ножниц и распрямленное в линейную цепочку. Разве что по бокам еще присоединилось по атому водорода. Но присмотритесь попристальней: в нем всего два одиночных штриха. А парных — три! И хотя эффект сопряжения налицо, чередующиеся связи неравноценны. Во всяком случае, межатомные расстояния С = С и C—C неодинаковы. Энергия связи тоже. Это доказывает расчет. И подтверждает опыт.

А что, если все-таки попробовать поменять местами двойные и одиночные штрихи? Что тогда? Пожалуйста: CH₃—CH = CH—CH = CH—CH₃. Гексадиен. Совсем другое соединение. В нем три ординарные и две двойные связи. Так что, как видно, структуру гексатриена не описать больше чем одной-единственной формулой. Между тем, если бы удалось гексатриен свернуть в кольцо и «сшить» концы иголкой химического взаимодействия, перед вами тут как тут объявился бы наш двуликий выходец из мира молекул. Бензольный цикл, в котором углерод-углеродные связи неразличимы. И он обладает сверхпроводимостью — в отличие от линейной цепочки гексатриена.

Можно подумать, что равноценность чередующихся связей присуща лишь циклическим молекулам. Отнюдь нет. Свидетельство тому — существование радикалов типа ĊH₂—CH = CH₂ (точкой обозначен неспаренный электрон). Можно написать вторую, совершенно эквивалентную схему CH₂ = CH—ĊH₂, хотя химическая формула в обоих случаях одна (C₃H₅).

Интересная деталь: далеко не у всех циклических молекул типа бензола (C₆H₆) чередующиеся связи одинаковы. Есть такое соединение — циклооктатетраен C₈H₈. У него простые и двойные связи чередуются. Тем не менее они не взаимозаменяемы. Ибо восьмиугольная молекула циклооктатетраена вовсе не плоская, не в пример бензольному шестиугольнику. Мало того. В 1964 году было получено циклическое соединение, имеющее состав бензола C₆H₆. Считают, что его пространственное строение описывается формулой Дьюара:

Правда, не плоской, а слегка согнутой вдоль самой длинной связи, соединяющей противолежащие вершины. И надо же: химики наотрез отказались признать его бензолом!

Полное равноправие всех углерод-углеродных связей квантовая химия предсказывает лишь тем циклам и цепочкам, для которых можно написать минимум две эквивалентные схемы. Именно эти соединения металличны. И сопряженные связи в них изображаются не только штрихом, но и пунктиром:

Зато свойства полупроводников проявляют молекулы с сопряженными, однако, заметно не похожими связями: —С = С—С = С—. Скажем, полимеры CH₂ = CH—(—CH = CH—)_n–2—CH = CH₂.

Чем же объясняет разницу в электрофизических свойствах молекул квантовая химия?

Вспомним сперва, чем отличается полупроводник от проводника. Разумеется, нас интересует сейчас не то, что первый хорошо проводит ток, а второй скверно. Из самого названия видно. В конце концов полупроводник — это все равно что полуизолятор. Хотелось бы разобрать по винтикам и пружинкам сокровенный механизм такой половинчатости в свойствах.

Вот железо. Проводник. Почему? Да потому, что в кристаллической решетке металлов всегда есть свободные электроны. А почему есть? И почему свободные? Лучше начать все по порядку.

Помните «Атомиум»? Девятка громадных шаров — кусочек кристаллической решетки железа. Яркие световые блики на сверкающих стальных округлостях — лишь отдаленное напоминание о расплывчатых электронных облаках. Отдаленное хотя бы потому, что у любого атома электронная архитектура многоярусна. У железа в первой оболочке два электрона. Во второй — восемь, в третьей — четырнадцать, (обратите внимание: четырнадцать! До полного комплекта не хватает четырех электронов: ведь этот ярус способен принять 2·3² = 18 электронов). В четвертой, наружной, — два (оболочка тоже не заполнена). Всего двадцать шесть. У яруса-оболочки есть ступеньки-слои. Это энергетические уровни. Чем выше расположена ступенька, тем больше энергия сидящего на ней электрона. На одной ступеньке по правилу Паули (несовместимость квантовых состояний) не может находиться больше двух электронов. Но уж если они там очутились, их спины должны быть антипараллельными. Между ярусами электронам быть не дозволено.

Таким образом, электрон в индивидуальном атоме может обладать не любыми, а лишь некоторыми значениями энергии. В таких случаях говорят: энергетический спектр у него дискретный (прерывистый). Напротив, свободный электрон, оторвавшийся от атома, может двигаться с любой энергией. Его энергетический спектр сплошной, без разрывов. Ну, а в кристалле?

При застройке атомов ярус к ярусу энергетические уровни-ступеньки расщепляются на подуровни — точь-в-точь как при образовании молекулы H₂ из двух атомов водорода. Разве что там появилось два подуровня, а здесь, в кристалле, в этом огромном семействе атомов, их мириады.

Ведь на одном подуровне не может ужиться больше двух электронов. (Да и то оба соседа мирно сосуществуют лишь при условии, что спины у них антипараллельны.) Вот почему электроны соседних узлов кристаллической решетки вынуждены расселяться по разным ступенькам. Что ж, благодаря расщеплению уровней места хватит всем — и отдельным электронам и парочкам. Даже останется лишняя «жилплощадь».

Но вот что интересно: когда происходит расщепление, подуровни так близко располагаются друг к другу, что практически сливаются в одну сплошную широкую полосу — зону. Прежней дискретности энергетического спектра, свойственной индивидуальному атому, как не бывало. И электроны в кристалле обретают куда большую свободу передвижения, чем внутри атома, хотя и не в такой степени, как вольноотпущенники, полностью покинувшие атом.

Правда, речь идет главным образом о наружных валентных электронах. Ибо только они обобществлены между всеми атомами кристалла. Коллективизация не затрагивает электроны, запрятанные во внутренних ярусах. Там расщепления почти не происходит. Зато самая удаленная от ядра зона размыта сильнее всех.

А теперь давайте поставим мысленный эксперимент. Перед нами кристалл. Мы не знаем пока, проводник это или полупроводник. Пусть он охлажден до абсолютного нуля. В таком состоянии валентные электроны займут самые нижние подуровни. Начнем подогревать кристалл. Тут-то он себя и выдаст!

Если это проводник, достаточно самой малой порции энергии, чтобы электрон перешел в иное квантовое состояние. Например, перепрыгнул на одну из верхних незанятых ступенек. Вернее — даже перешагнул: незанятые ступеньки-то рядом! Ибо у проводника зона, как правило, не заполнена (вспомните железо!).

Иное дело полупроводник. У него валентная зона полностью укомплектована. А ближайший незанятый подуровень отделен от нее широкой полосой запрещенной зоны. Чтобы преодолеть ее, электронам требуется весьма энергичный шлепок. И до тех пор пока ни один из них не будет выдворен из валентной зоны, ни о какой проводимости не может быть и речи. Ведь электрический ток — это перемещение электронов. А оно связано с переменой квантовых состояний. Между тем у полупроводника в забитой до отказа валентной зоне электронам не дано изменять ни одно из своих квантовых чисел: все ступеньки заняты. И, только перескочив через запрещенную зону в зону проводимости, беглецы обретают свободу передвижения. Зато в частично заполненной зоне, которой обладают металлы, созданы все условия для хорошей проводимости.

Для многоатомных коллективов — кристаллов и молекул — принцип Паули также сохраняет силу.

Понятно теперь, почему у полупроводников количество электронов в зоне проводимости намного меньше, чем у проводников. Но этот «недостаток» оборачивается стократным преимуществом. В проводнике почти все электроны свободны. Их очень много. Поэтому внешнее воздействие мало сказывается на электронном состоянии того же железа. Между тем полупроводники болезненно чувствительны к свету и теплу. Вышло солнце из-за облаков, поднялся столбик ртути в термометре — малейшее усиление квантовой бомбардировки резко увеличивает число прыгунов через «запретную зону». Конечно, и проводники не безразличны к изменениям в окружающей среде. Известно, что сопротивление металлов зависит от температуры. Однако с ее повышением металл проводит ток все хуже и хуже. Электронам-конькобежцам все больше мешают тепловые колебания атомов в узлах кристаллической решетки. Они превращают скольжение между узлами решетки в бег с препятствиями. Правда, нагревание полупроводника тоже увеличивает противодействие току. И все же куда быстрее растет число «конькобежцев». В результате электропроводность возрастает. Нередко в тысячи и даже миллионы раз. А сопротивление при нагревании на один градус увеличивается лишь на доли процента.

Итак, у любых кристаллических материалов электропроводность зависит от высоты «запретной зоны». А у длинных и гибких полимерных нитей?

Молекула полимера с сопряженными связями напоминает ряд атомов в кристалле. Роль узлов кристаллической решетки выполняют атомы углерода. И так же, как в кристалле, здесь соблюдается принцип Паули — несовместимость одинаковых квантовых состояний у электронов соседних связей. Тут-то и начинается различие в проводимости.

Пусть в молекуле n сопряженных связей. Тогда, очевидно, у нее будет 2n пи-электронов. Сигма-электроны не в счет: они не влияют на электропроводность полимера. Если длины ординарной и двойной связей одинаковы, то пи-электрон любого атома C пользуется неограниченными правами вольноотпущенника. С равной вероятностью он может пребывать справа и слева от своего «хозяина». Стало быть, мы можем разбить мысленно молекулярную цепочку на такие звенья:

Если ординарные и двойные связи неравноценны, пи-электроны менее свободны. Они стараются держаться друг возле друга, парами. И местонахождение обоих спаренных пи-электронов наиболее вероятно в районе, который мы отмечаем двумя штрихами. Здесь уже нам придется выделить иное звено цепочки: —С = С—.

Количество звеньев первого рода 2n, второго — n. В каждом звене квантовые состояния должны отличаться от соседних. Но расщепление уровней происходит неодинаково. В молекуле с равноценными сопряженными связями электронам отводится 2n ступенек, с неодинаковыми — n. Электронов же в обоих случаях поровну — 2n, то есть n пар. Каждой паре — по ступеньке. Значит, в молекулах обоих типов электроны могут запросто уместиться на п ступеньках.

Однако в молекуле типа

у них в запасе еще п «вакантных» ступенек! Вспрыгивая на них, электроны придают молекуле свойства проводника. А в молекуле типа —С = С—С = С— все «разрешенные» ступеньки заполнены до отказа. Выше — «запретная зона». Чтобы подсобить электронам ее преодолеть, попасть в зону проводимости, требуется обстрелять молекулу квантами энергии. Перед нами — явный полупроводник.

Разумеется, вовсе не обязательно, чтобы молекула была линейной. Еще в начале столетия обнаружилось, что у молекул антрацена под действием света увеличивается проводимость. Открытию не придали особого значения. И лишь в течение последних десяти — пятнадцати лет развернулись систематические исследования циклических углеводородов с сопряженными связями. Причем самых различных. И не только таких, у которых скелеты составлены из одних углеродных атомов, как, например, у коронена. Его название созвучно со словом «корона». Действительно, структура его своей угловатой симметрией напоминает царский венец. Или кусочек паркета, составленный из семи шестиугольных плиток.

В 1959–1960 годах ряд виртуозно проведенных синтезов дал в руки охотников за полупроводниками еще более необычные молекулы: C₁₈H₁₈, C₂₄H₂₄, C₃₀H₃₀. Они напоминают корону, разве что без внутреннего обода. Это как бы свернутая в кольцо полимерная цепочка с сопряженными связями. Причем остовы этих удивительных конструкций смонтированы сплошь из углеродных атомов.

А вот фталоцианин содержит наряду с углеродными также и атомы азота. Да еще не в шестичленных, а в пятичленных циклах. Атомы азота не просто занимают место в каркасе этих архитектурных сооружений микромира. Их присутствие благоприятно сказывается на проводимости. Доноры, готовые пожертвовать своей неподеленной парой электронов, они вносят дополнительный вклад в электропроводность молекулы.

Немало интересных результатов при изучении фталоцианина получено недавно советским ученым Вартаняном. Выявление особенностей, присущих молекулярным постройкам с сопряженными связями, дает возможность предвидеть, даже заранее программировать, свойства соединений, которые рождаются в лабораторных колбах.

И архитекторы микромира неутомимы. Они возводят все новые и новые полимерные сооружения по чертежам квантовой химии.

В последние годы академики Александр Васильевич Топчиев и Валентин Алексеевич Каргин с сотрудниками разработали метод получения еще одной диковинки микромира. Представьте себе длинную полимерную цепочку, «склеенную» из шестиугольных плиток. Только на верхние зубцы такого молекулярного «забора» вместо атомов углерода насажены атомы азота. Изучение необычного полимера показало, что он обладает неслыханными до сих пор значениями проводимости. Причем нижний предел его электропроводности отличается от верхнего при комнатных температурах в 10 миллионов раз!

Летом 1960 года в Москве состоялся Международный симпозиум по макромолекулярной химии. После его окончания известный французский химик профессор Сорбоннского университета Мишель Мага заявил: «Одним из наиболее выдающихся исследований последнего времени явилась работа академиков А. В. Топчиева, В. А. Каргина и их сотрудников по приданию полимерам полупроводниковых свойств!»

Работы советских ученых ознаменовали собой новый этап в истории органических полупроводников. Этап, когда начался переход от наблюдения электронных архитектур к активному синтезу полупроводниковых молекул с заранее заданными свойствами.

Одно из самых желанных свойств, которые химики стремятся придать полимерам-полупроводникам, — термостойкость. Что толку, если пленочные электростанции окажутся неженками! Ведь им придется раскинуть свои легкие покрывала не где-нибудь, а в первую очередь над знойными просторами Казахстана, Средней Азии, над раскаленными песками Сахары. А установленные на ракетах и реактивных самолетах, они должны безбоязненно выдерживать нагревание от трения о воздух.

Что ж, и этих достоинств не занимать органическим полупроводникам. Квантовая химия подсказывает, а опыт подтверждает, что свобода, предоставленная пи-электронам в системах с сопряжением, приводит к уменьшению внутренней энергии связей. А это предопределяет повышенную термостойкость таких систем.

Не так давно разработан способ синтеза полифенилена. Молекула продукта представляет собой длинную цепочку из бензольных колец. Правда, они сцеплены не так, как шестиугольники в соединении, полученном Топчиевым и Каргиным. Не так тесно, не бок о бок: каждый цикл связан с другим валентной ниточкой. Вещество труднорастворимо и неплавко. А главное, выдерживает нагревание до 400–700 градусов! И это не предел термостойкости у органических полупроводников.

Трудно поверить, что органический полимер может выстоять в пламени, от которого плавится железо. И тем не менее факт налицо. Химики научились получать полиацетилен. В нем чередуются одиночные и тройные связи: НС = C—(—С = С—)_n—C = CH. В тройных связях свободных пи-электронов вдвое больше, чем в двойных. Эффект сопряжения, понятно, и здесь обусловливает электропроводность. Но в отличие от большинства своих собратьев полиацетилен выдерживает жару в 2000 градусов! Лишь при 2300 градусах он переходит в графит.

С каждым днем пополняется семья молекул с замечательными электрофизическими свойствами. Успехи квантовой химии непрерывно раздвигают границы поиска в органической химии. То ли еще будет впереди!

Вот молекула-полупроводник. Многообещающий. Гибкий. Термостойкий. Но… увы, слишком коротенький. Самая длинная молекула невидима и в наимощнейший электронный микроскоп. Оперировать такими объектами, даже в наш век микроминиатюризации, и самому искусному Левше покамест не под силу. Неужели же столь соблазнительная идея окажется техническим пустоцветом?

— Нет! — уверенно говорят ученые.

Будут электростанции в рулонах, мягкие счетные машины, рубашки-батарейки. На смену эпохе микроминиатюризации придет эпоха макроминиатюризации. Полупроводниковые слои будут становиться все тоньше. Но вместо крохотных, с почтовую марку или папиросную коробку, электронных приборов появятся гектары полимерных пленок, которые не позволят Солнцу впустую транжирить золотые потоки лучей.

На чем основана столь категорическая уверенность? Здесь бы в самую пору поговорить о всемогуществе человеческого разума. О неизбежности победы света знания над мраком незнания. О том, что наука «вся — езда в незнаемое». Что сегодня нельзя предвосхитить завтрашние революции в науке и так далее. Выпустить на читателя полную обойму всего, на что так падка чернильная душа журналиста.

Но нынешнего читателя на мякине не проведешь. Ему подавай конкретные факты. Конкретные пути развития, претворения, внедрения. А если их нет? Вернее, пока нет? Тут-то и можно удариться в фантастику. Бодро строить прожекты, один другого проницательнее. Словом, почти как у Герберта Уэллса.

Сказать правду, такой спасательный круг здесь тоже мало поможет. Уж лучше выложить начистоту то, что прячется за сухими строчками научных отчетов. При всей скромности выводов они вызывают уважение своей строгостью и аргументированностью.

Вот что сказано в монографии «Органические полупроводники», выпущенной издательством Академии наук в 1964 году: «Когда мы имеем дело с ансамблем молекул, то механизм проводимости складывается из двух процессов — движения носителей тока по молекуле и процесса перехода их от молекулы к молекуле… Благодаря особенностям линейных высокомолекулярных соединений в них сравнительно простыми методами можно варьировать надмолекулярную структуру и тем самым оказывать влияние на межмолекулярные расстояния, на условия контакта между молекулами, а следовательно, и „управлять“ электропроводностью. Картина, безусловно, усложнится при переходе к реальным материалам, молекулы которых полидисперсны, где всегда имеются примеси, могущие быть донорами или акцепторами».

И еще: «Для решения вопросов, определяющих переход носителей тока от молекулы к молекуле, необходимы прежде всего глубокие структурные исследования».

Межмолекулярные расстояния… Надмолекулярная структура… Постойте-ка, ведь мы уже немного знакомы с содержанием этих терминов. Помните водородную связь и донорно-акцепторное взаимодействие? В металлическом кристалле, в органическом полупроводнике, в клетке ли — всюду огромна роль среды, окружающей молекулу.

Именно здесь пролегают тропы во многие заповедные уголки науки. Тропы неторные, нехоженые и потому так призывно манящие к себе неугомонную нашу молодежь.

Неужели так-таки и нет никаких пунктиров на картах первопроходчиков в область органических полупроводников? Неужели научная интуиция капитулировала перед неизведанным? Неужели осталось уповать на голую эмпирику — пробовать так, потом этак, авось что-нибудь выйдет? Не может быть, чтобы уверенность ученого не стояла на твердой почве рабочих гипотез!

Лет семь тому назад Издательство иностранной литературы перевело великолепную книжку лауреата Нобелевской премии сэра Джорджа Томсона «Предвидимое будущее». С чисто английским юмором автор писал в предисловии: «В некоторых разделах книги я вышел за рамки теорий, в которых я могу претендовать на какие-либо профессиональные знания. Прошу тех, в чьи заповедные угодья я вторгся, простить мне мою опрометчивость. И если отдельные трофеи, о которых я пишу, существуют только в моем воображении, то по крайней мере такое браконьерство не причиняет никакого ущерба законным владельцам, тогда как случайный пришелец может порой увидеть то, что является одновременно и неожиданным и реальным».

Один из «трофеев» Томсона, сэра Джорджа, имеет прямое отношение к нашему рассказу.

В разделе «Упрочнение материалов» автор затронул интересный вопрос. Удастся ли придать полимерным волокнам еще большую крепость? И если да, то каким способом?

В одном из романов Герберта Уэллса фигурирует сверхтонкая веревочная лестница. Ее разглядеть-то как следует нельзя было, а между тем канаты-паутинки выдерживали вес целой грозди людей. Из чего были сделаны нити? Писатель не дал ответа на наш вопрос. Взглядом художника видел он грядущее. Томсон всматривается в будущее глазами ученого.

И натуральные и искусственные волокна, говорит он, состоят из длинных молекул. Цепочки атомов располагаются обычно вдоль нити. Что же происходит, когда волокно лопается? Быть может, рвутся валентные связи? Мы уже видели, что нетрудно рассчитать силу, необходимую для расторжения уз межатомного сцепления. Оказывается, если бы разрыв нити означал одновременный поперечный разрыв всех полимерных молекул, то такое волокно должно бы быть в двадцать раз крепче любого из самых прочных теперешних!

«Организовать» подобный единодушный разрыв мешает, вообще говоря, та же причина, что и созданию «макроминиатюрных» органических полупроводников — крохотные размеры молекул. Если бы нить имела нормальную толщину, а длиной была с полимерную молекулу — тогда другое дело. Можно единым махом разорвать все валентные связи. Но как в таком случае уцепиться за ее концы?

Реальная нить — длинный клубок тесно перепутавшихся многоатомных цепочек. Далеко не все молекулы полимера расположены голова к голове, хвост к хвосту. Иногда они цепляются своими извивами друг за друга, причем беспорядочно, как попало. Иногда просто касаются друг друга. Что же придает волокну прочность?

Томсон высказывает два предположения.

Возможно, когда на волокно действует нагрузка, молекулярные цепочки подвергаются неодинаковому напряжению. Где тонко, там и рвется: как только большая часть растягивающего усилия сосредоточивается на какой-нибудь одной тонюсенькой молекуле, валентная связь лопается и нагрузка перемещается на следующую молекулу. Та, понятно, не выдерживает. И так далее. Атомные постройки трещат по всем валентным «швам».

Однако, сам себе возражает Томсон, при такой схеме следовало бы ожидать значительного удлинения волокна. Не меньше чем на десятую долю. А этого в действительности не наблюдается.

Остается другое объяснение: волокна не выдерживают нагрузки из-за сдвига одних молекул по отношению к другим. Большинство их при разрыве волокна остаются целыми. Расчеты, исходящие из таких предпосылок, подтверждаются измерениями.

Вывод: своей прочностью волокно обязано не внутримолекулярным, а куда более слабым межмолекулярным силам. Но это все предисловие. Самое интересное ожидает читателя впереди.

Пути увеличения прочности. Каковы они?

Во-первых, удлинение молекул. Чем протяженнее полимерные цепочки, тем больше площадь контакта между ними. Стало быть, тем значительнее действие межмолекулярных сил. Опыты свидетельствуют, что подобное наращивание новых звеньев на полимерную цепочку действительно приводит к росту прочности материала. Однако здесь существует потолок: по достижении определенной длины дальнейшее упрочнение прекращается. Возможно, оттого, что отдельные неправильности в структуре материала или самой молекулы вынуждают одну часть молекулы растягиваться и сдвигаться по отношению к соседней молекуле раньше, чем все силы, цементирующие волокно, равномерно распределят между собой нагрузку.

Путь следующий — «сшивание» молекул. Под действием излучений связи между атомами расшатываются, разрываются (вспомните молекулу H₂O в верхней атмосфере). Именно с этой целью направляют ученые на полимер потоки всепроникающего радиоактивного излучения. Но в компактной массе вещества, где молекулы сгрудились очень тесно, взамен порванных валентных связей нет-нет да и образуются другие — между соседними полимерными молекулами. Причем сигма- и пи-связи углеродного каркаса могут остаться неповрежденными. Валентные мостики между молекулами удается построить на обломках разрушенных связей C—H, а не C—C или C = C. Ловко орудуя гамма-лучами, словно тончайшими искуснейшими спицами, химики рано или поздно научатся превращать волокна в одну гигантскую разветвленную молекулу.

Наконец, Томсон уповает еще на один шанс.

Сцепление молекул! Цирковые фокусники запросто умеют это делать с металлическими кольцами. А химики с молекулами? В 1963 году в журнале «Сайентифик америкен» появилась статья под названием «Химическая топология». В ней сообщалось о сенсационном эксперименте. Две кольцевидные молекулы, полученные из линейных, удалось зацепить так, что они стали звеньями одной цепочки! Звеньями химически индивидуальными — они не сцеплены валентной связью. Но разорвать цепочку можно было, лишь разрушив какую-нибудь валентную связь одного из звеньев.

Томсон размышлял о путях увеличения прочности. А ведь если присмотреться, в его прогнозах содержится намек и на методы создания полупроводниковых материалов из молекул с сопряженными связями. Какими они будут, эти материалы? Составленными из сверхдлинных макромолекул, как стальной трос из отдельных проволочек? Или сшитыми из разных полимерных цепочек в одну гигантскую разветвленную молекулу, напоминающую углеродный паркет в графитовом слое? А может, найдет применение цепочечное зацепление молекулярных циклов, каждый из которых, как известно, являет собой круговой ток, а значит, и магнит?

Гадать не будем. Тем более что возможны иные пути. Они уже привели к рождению самых настоящих органических полупроводников. Настолько совершенных, что перед действительностью бледнеют даже мечты инженера. Что же это за полупроводники? Где они? И почему ученым не перенять как можно скорее замечательный технологический опыт?

…В неоглядных просторах мироздания по строго вычисленной орбите несется космический корабль. На борту его — миллиарды пассажиров. Этот корабль — наша Земля. Он обеспечен всем необходимым. Единственное, что ему приходится заимствовать из космоса, — солнечная энергия. Все остальное… А вот откуда оно, это «все остальное»?

Подсчитано, что суммарный объем существ, когда-либо населявших нашу планету, намного больше земного шара. Вступают в жизнь новые поколения, но Земля не «худеет»: по-прежнему безбрежен воздушный океан, не иссякают водоемы, не скудеют ресурсы плодородия. Вместе с тем Земля и не прибавляет в весе, если не считать ничтожного пополнения запасов земного вещества за счет метеоритов и космической пыли (около 10 тысяч тонн в год). Откуда же берутся в таких колоссальных количествах материалы для построения организмов?

Щедрыми потоками изливает на Землю тепло и свет наше дневное светило. «Пойманный» растениями луч становится причиной удивительных метаморфоз. Из углекислого газа и воды, из минеральных веществ атмосферы и литосферы в хлорофилле зеленого листа синтезируются сложные органические соединения — углеводы, белки, жиры. Становясь пищей для животных, они рано или поздно возвращаются в лоно матери Земли. Возвращаются как продукты двух процессов. Во-первых, в виде отходов от переработки в живом организме. Во-вторых, в результате гниения умерших животных и растений. Таким образом, все сущее на нашей планете участвует в непрерывном круговороте химических веществ, входящих в состав воды, воздуха и верхнего слоя Земли. Этот грандиозный круговорот протекает внутри биосферы. (Так называется сферическая прослойка между земными недрами и космической бездной, заселенная живыми существами.)

Биосфера Земли — замкнутая саморегулирующаяся система, где непрерывно поддерживается биологическое равновесие. Вещества становятся частью существ. Существа выделяют вещества. А после смерти и сами превращаются в вещества.

Нормальный взрослый организм обычно не худеет и не прибавляет в весе. А ведь в сутки он поглощает килограммы вещества в виде еды и напитков! Значит, столько же веществ выводится из организма.

Из пищи мы заимствуем не вещество, а энергию. И если количество вещества в биосфере остается постоянным, то откуда же берется огромное количество энергии для бесчисленных химических превращений?

Солнечный луч — вот что вращает гигантский маховик круговорота химических веществ в биосфере.

Валерий Брумель упруго подбрасывает свое тело и легко переносит его через планку, установленную на двухметровой отметке.

Василий Смыслов в полной неподвижности сосредоточенно продумывает очередную шахматную комбинацию.

Иннокентий Смоктуновский произносит монолог Гамлета, создавая полную иллюзию собственного душевного надлома.

Любое напряжение мышц или мозга, любые физические, умственные или эмоциональные усилия требуют затраты энергии.

И вы, дорогой читатель, пробегая глазами мелкий бисер типографских литер на этой странице, тоже расходуете энергию.

Откуда же она берется? Странный вопрос: ну, разумеется, от сгорания пищи в организме! Не с неба же в конце концов. А в пище откуда?

Если вы вегетарианец, то с неба, и только с неба. Нет, серьезно. Ведь энергетический цикл жизни начинается именно с того момента, когда солнечный зайчик упадет на зеленый лист!

Лишь представители зеленого царства флоры способны «консервировать» энергию фотонов, превращая ее затем в биохимическое топливо для всевозможных энергетических процессов в теле животных. И даже самый плотоядный хищник, который презирает вегетарианскую диету, пожирая очередную жертву, в конечном счете пользуется именно энергией Солнца, запасенной в растительных тканях и перекочевавшей в организм травоядных животных.

Вот фотон, посланный далеким светилом, угодил в органическую молекулу зеленого листа. Это молекула зеленого красителя — хлорофилла. Один из электронов валентной пары тотчас возбуждается, подпрыгивая на более высокую ступеньку — точь-в-точь как в полупроводнике. Рано или поздно он, конечно, вернется в свое прежнее состояние, но долгим и сложным будет его обратный путь. И кто бы мог подумать, что все богатейшее разнообразие жизненных проявлений укладывается в эту простенькую схему: стрелка вверх — переход из основного состояния в возбужденное; стрелка вниз — возвращение восвояси. Конечно, за второй стрелкой таится целая эпопея электрона и кванта, перед красочностью и драматизмом которой тускнеют странствия самого Одиссея.

Когда электрон перескакивает в зону проводимости, на ступеньке, где он сидел, остается пустое место. Но это не просто «дырка от бублика». Отсутствие электрона эквивалентно появлению единичного положительного заряда. Поэтому «дырка» притягивает к себе электрон, как бы зовет его обратно. Но, вознесенный квантом света в зону проводимости, он и не думает возвращаться обратно.

Такое состояние очень неустойчиво. Обычно оно продолжается лишь миллионные доли секунды. Затем энергия электронного возбуждения переходит в другие формы. Например, в тепловую: начинают вибрировать валентные связи-пружинки, атомы одной молекулы соударяются с атомами соседней. Вещество разогревается.

Конечно, это не единственный вариант. Электрон может упасть на прежний энергетический уровень, заполнив своей персоной «дырку» и высветив квант энергии. Такое падение проявит себя в виде флуоресцентного свечения. И тогда хлорофилл просто-напросто возвратит «ссуду», выданную ему Солнцем, так и не пустив ее в оборот. Нас же интересует другой случай: каким путем кипучая энергия электрона преобразуется в энергию биохимического «топлива»?

Известно, что при фотосинтезе зеленый лист вырабатывает углеводы, усваивая углекислый газ и выделяя кислород. Реакция протекает с поглощением энергии: СО₂ + H₂O + 112 ккал = (CH₂О) + O₂. Энергия солнечного луча переходит в энергию валентных связей. И легко высвобождается при обратном процессе: (CH₂O) + O₂ = СО₂ + H₂O + 112 ккал. Например, при сгорании глюкозы в нашем организме (глюкоза может гореть и в пробирке). И это естественно: полная энергия системы понижается. Зато обратить вспять ход процесса, заставить углекислоту и воду превратиться в углевод несравненно труднее. Здесь химику не обойтись без катализаторов, повышенных давлений и температур. А зеленый лист проделывает эту операцию легко и просто.

Молекула хлорофилла состоит из двух частей. Первая — остаток спирта фитола — представляет собой линейную углеводородную цепочку. Вторая и самая главная — так называемое большое порфириновое кольцо. Оно, в свою очередь, составлено из малых циклов — пятичленных, с атомами азота, обращенными внутрь и охватывающими центральный атом магния. Перед нами замкнутая система сопряженных связей. По этой кольцевой трассе и начинает свой вояж возбужденный электрон. Такой циркулирующий ток не связан с энергетическими потерями. Молекула переходит в метастабильное состояние. Оно более устойчиво, чем обычное возбужденное, и может сохраняться в течение отрезка времени, который в миллионы раз длиннее.

А что же будет потом — по истечении этих нескольких десятитысячных долей секунды?

Энергия фотохимической активации перекочевывает вместе с электроном на соседнюю молекулу. Да, на соседнюю, как это ни удивительно. Налицо межмолекулярный перенос заряда — тот самый, механизм которого так интересует инженеров — творцов органических полупроводников.

Чтобы углекислота CO₂ превратилась в глюкозу, ей нужен водород. И энергия! Поставщиком того и другого служит трифосфопиридиннуклеотид ТПН. Чтобы стать настоящим межмолекулярным «коммивояжером», он должен сначала перейти в восстановленную форму: ТПН—H. Здесь — H является символом того самого водородного атома, который предназначен для углекислоты. Агент по поставке водорода собирает свой товар по частям. Одну часть — электрон — он получает от хлорофилла. Другую — протон — от воды.

Воды в зеленом листе много. И ее молекулы частично диссоциированы на протон и гидроксил: H₂O = H⁺ + ОН^–. Протон воды вместе с возбужденным электроном хлорофилла идет на построение высокоэнергетических валентных связей глюкозы. А оставшийся неприкаянным гидроксил?

Он тоже не пропадает втуне. Если отнять у него электрон, произойдет расщепление: OH^– = O + H⁺ + 2e. Кислород выделится в атмосферу. Водород тоже не останется без дела — на него всегда при фотосинтезе спрос большой.

Электрон же поступает в распоряжение веществ-переносчиков. Новые агенты по поставке обдирают электрон как липку, заставляя его раскошелиться и истратить всю свою избыточную энергию на создание высокоэнергетических связей в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). Молекула образуется из аденозиндифосфата (АДФ), присоединяя к себе остаток фосфорной кислоты. Обратный процесс — разложение АТ на АДФ и фосфатный остаток — протекает с выделением энергии. Высвобожденная энергия идет в фонд помощи углекислоте — на образование из нее глюкозы. А окончательно растратившийся электрон водворяется на место «дырки» в молекуле хлорофилла. Цикл фотосинтеза завершен.

Так из воды и углекислого газа зелеными фабриками вырабатывается глюкоза. В ее межатомных связях законсервирована энергия солнечного зайчика. Переходя в организм животных, глюкоза становится биохимическим топливом. Сгорая по схеме (CH₂O) + O₂ = СО₂ + H₂O + 112 ккал, она отдает свою энергию на образование АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Энергия запасается валентными связями. А уж отщепление фосфата поставляет животным и человеку энергию для всех процессов жизнедеятельности.

Молекулы хлорофилла расположены в цехах миниатюрных зеленых фабрик отнюдь не как попало. Они не просто плавают в соках растительной клетки. Положите лист любого вашего комнатного растения на твердую гладкую подставку, не отрывая его от ветки. И легонько прокатайте карандашом. Фотосинтез немедленно прекратится! Достаточно малейшего нарушения клеточной структуры, чтобы живой полупроводник перестал работать.

Архитектура живых фабрик сложна и тонка. Плоские молекулы хлорофилла лежат стопками внутри особой структурной ячейки — граны. Каждая молекула напоминает полупроводниковую пластинку фотоэлектрического элемента, каждая грана — сам элемент, а совокупность гран — батарею элементов.

Ежегодно зеленые «электрические батареи» аккумулируют такое количество солнечной энергии, сколько могли бы дать двести тысяч электростанций, равных по мощности Волжской ГЭС имени В. И. Ленина. Научиться изготовлять такие же высокоэффективные полупроводниковые батареи, подобные тем, что действуют внутри растений, — заветная мечта ученых и инженеров. Известный французский физик Фредерик Жолио-Кюри как-то сказал: «Хотя я верю в будущее атомной энергетики, однако настоящий переворот в энергетике наступит лишь в тот день, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, подобных хлорофиллу, или даже лучше него». Ученый подсчитал: если б удалось использовать всего одну десятую часть солнечной радиации, падающей на Египет, то этого с лихвой хватило бы для удовлетворения нынешних энергетических потребностей человечества.

Но вернемся к энергетическому циклу в биосфере. Не зря изображают его начало стрелкой, направленной вверх. Вторую стрелку придется нарисовать изогнутой: опускаясь на прежний энергетический уровень, электрон участвует в различных приключениях, где и отдает постепенно свою энергию. Жизнь управляется именно электронами! А электрон, движущийся по замкнутому контуру, — не что иное, как слабый электрический ток. Стало быть, жизнью движут слабые электрические токи, питаемые солнечным светом. И в этих тончайших биологических тонкостях не разобраться без квантовой химии.

Без химии — да, это очевидно. Но почему обязательно квантовой? В конце концов переход электронов от молекулы к молекуле — разве это не обычная химическая реакция? Разве к ней неприложим привычный язык букв и черточек?

Обычный окислительно-восстановительный процесс — это классическая химическая реакция, которая сопровождается перестройкой молекулярной структуры. Такая перестройка осуществляется по двухвалентному механизму. Иными словами, в окислительно-восстановительном процессе электроны удаляются или присоединяются парами. Это связано с тем, что все стабильные органические соединения содержат четное число электронов.

Взять, к примеру, горение углеводов. Реакцию (CH₂O) + O₂ = СО₂ + H₂O можно изобразить иначе, привлекая на помощь двоеточия Льюиса:

Какие бы перестройки молекулярных архитектур ни происходили, всегда валентные штрихи — как прежние, так и новорожденные — подразумевают пару взаимодействующих электронов. Формально подобные процессы можно рассматривать как обмен электронными парами. И хотя мы приписываем к уравнению реакции «плюс 112 килокалорий», совершенно не ясно, каким образом этот энергетический «довесок» может трансформироваться в энергию мышц или мозга.

Иное дело одновалентный перенос. В нем участвует только один электрон. Это слабый электрический ток. И он не обязательно связан с разрушением атомных построек. Вспомните хотя бы хлорофилл! Отдавая или присоединяя электроны поодиночке, его молекула сохраняет свою индивидуальность и стабильность. Конечно, на промежуточных стадиях одновалентного переноса электрона мы встречаемся с классическими химическими реакциями. Например, когда ТПН переходит в восстановленную форму ТПН—H. Или АТФ образуется из АДФ и фосфорной кислоты. Но как бы то ни было, процессы, которые изображаются символически в виде полукруглой стрелки, направленной книзу, сводятся к странствиям одного электрона. К падению его со ступеньки на ступеньку, когда он отдельными порциями отдает свою энергию, к слабому электрическому току.

Однако, сколь бы слабым ни был этот ток, он возникает не только внутри молекулы. Между молекулами тоже! Значит, можно все-таки решить главную проблему, которая стоит перед конструкторами органических полупроводников: найти способ, как переправлять электрон от молекулы к молекуле. Выходит, не обязательно надставлять полимерные молекулы новыми звеньями, пока они не достигнут гигантских размеров? Не обязательно сшивать полимерные цепочки? Но тогда совершенно необходимо разобраться в механизме межмолекулярного переноса энергии и электронов. Каков же он, этот механизм?

Между двумя молекулами может установиться резонансная связь. Электронное возбуждение отдаленно напоминает колебания маятника. Роль пружины играет электромагнитное поле. И существует определенная вероятность, что энергия возбуждения может перекочевать от молекулы к молекуле. Для этого необходимо лишь, чтобы соседи более или менее тесно соприкасались. Но именно такой контакт и обеспечит взаимное зацепление молекулярных колец, предложенное Томсоном!

Правда, пока что речь шла о передаче энергии. Скажем, энергии фотона. И только. Перебросить электрон — совсем иное дело. Даже если он унесет с собой возбудивший его кусочек света — фотон.

Переход электрона от одного вещества к другому обычно считают реакцией окисления — восстановления. Однако квантовая химия отграничивает от них одноэлектронный перенос заряда.

В органических соединениях электроны расквартированы на ступеньках-орбитах попарно. И парами же перебираются с квартиры на квартиру — с молекулы на молекулу. Происходит химическая реакция. А перенос заряда означает, что один из электронов молекулы способен при удобном случае очутиться на орбите соседней молекулы. Такой переход не влечет за собой перестройку молекул.

Безусловно, нужно, чтобы молекулы близко пришвартовались друг к другу. И чтоб их электронные облака перекрывались. Только в таком случае может возникнуть межмолекулярный «блок», когда одноэлектронный донор связан с акцептором одного электрона. «Комплексом с переносом заряда» назвали его.

Причем опять-таки следует подчеркнуть, что здесь донорно-акцепторное взаимодействие понимается совершенно иначе, чем в классической теории комплексообразования. Там имеется в виду передача неподеленной пары электронов. У Сент-Дьердьи — одного электрона.

Комплекс с переносом заряда — нечто среднее между обычной молекулой и свободным радикалом. И распадается он на два самых настоящих свободных радикала, то есть на два «обломка», у каждого из которых по одному неспаренному электрону.

Представление о переносе заряда широко распахивает двери в биологию перед идеями полупроводимости.

С другой стороны, исследуя внутриклеточные полупроводники, ученые отыскивают пути к созданию синтетических органических полупроводников. Уже установлено, что пленки донорных молекул, нанесенные на слои молекул-акцепторов, проявляют сильный фотоэлектрический эффект!

Нет, не пропасть отделяет молекулы друг от друга — ров. Но еще много придется поработать, прежде чем удастся перекинуть мостик через этот ров, чтобы создать единую энергоцентраль, которую инженеры назовут органическим полупроводником. Потечет, обязательно потечет электричество по гектарам полимерных пленок, по волокнам нашей одежды, по защитным покрытиям самолетов и ракет. Удивительный ток, который уже сейчас питает своей энергией наши чувства и мысли, любые движения нашего тела, нашей «души». Ток, порожденный улыбкой доброго старого Солнца. И этот ток, выполняющий в биосфере любые работы, не способен лишь к одному — быть выраженным в понятиях классической химии.

«Странствующий электрон относится к миру изменяющихся форм и распределений в электронных облаках, которые принадлежат субмолекулярной биологии, управляемой законами квантовой механики».

Так пишет в своем «Введении в субмолекулярную биологию» Сент-Дьердьи. Глубокий старик, он с юношеской увлеченностью доказывает, что применение тяжелой математической артиллерии помогает биологам победоносно брать Бастилию за Бастилией. Биолог, воспитанный в традициях старой школы, он сумел на склоне лет отрешиться от классических представлений и принять на вооружение новые идеи. Пионер квантовой биологии, он отлично видит трудности, которые подстерегают каждого, кто решит последовать за ним в многотрудный, но увлекательный поход.

Сент-Дьердьи говорит:

«Переходя к новой области, я всегда надеялся овладеть интересующим меня предметом. В случае квантовой механики я даже не надеюсь на это. Отсюда и мои опасения… Должны ли биологи допускать, чтобы их вытесняли из этого мира электронных явлений только из-за того, что они не знакомы с тонкостями квантовой механики? Сейчас число исследователей, овладевших обеими науками — биологией и квантовой механикой, очень мало. Учитывая ограниченные возможности ума человека и ограниченную продолжительность его жизни, можно думать, что это число никогда и не будет очень большим. Каждая из этих наук требует всего ума человека и всей его жизни. Таким образом, по крайней мере в настоящее время для развития науки необходима некая гибридизация разных специальностей.

По моему мнению, во всяком случае сейчас, наилучшее решение заключается не в превращении биологов в физиков и наоборот, а в их сотрудничестве. Для этого не обязательно, чтобы биологи сами проникали во все тонкости квантовой механики. Им достаточно найти общий язык с физиками и интуитивно овладеть основными идеями и ограничениями квантовой механики, чтобы быть в состоянии наметить для физика проблемы и понять смысл его ответов. Точно так же физику лучше оставаться на своей стороне пропасти, чем превратиться в, быть может, второразрядного биолога. Если, например, я как биолог интересуюсь энергетическими уровнями какого-нибудь вещества и если мне говорят, что его наивысший уровень характеризуется определенным значением коэффициента k, равным, скажем, 0,5, то я могу исходить из этих данных. Мне достаточно знать, что означает k, равное 0,5, и мне нет нужды точно знать, как было получено это значение. В обмен я могу указать физику, для каких веществ вычисление коэффициента может представлять особый интерес».

Коэффициент k…

Ледяным бесстрастием веет от нескончаемой вязи математических формул, которыми химики-квантовики заполняют страницу за страницей, расчисляя молекулу с помощью абстрактнейшей из абстракций — пси-функции Шредингера. Но странное дело: холодные, мертвые коэффициенты, порожденные усилиями человеческого мозга, пришли на помощь этому живому, пульсирующему сгустку материи!

Мозг, средоточие мыслей и чувств, породивших все, что так дорого, и все, что так ненавистно человечеству. Святая святых физиологии. Сложнейшая и таинственнейшая «машина», к которой каждая наука пытается подобрать свой ключ. Кто бы мог подумать, что и квантовая химия окажется в числе тех, кто успешно штурмует эту крепость науки!

Царство изумительной гармонии и целесообразности, мозг иногда оказывается в плену хаоса и дезорганизации. Нет, речь идет не о механических повреждениях этой чудесной «машины», заключенной в нашей черепной коробке. Все клетки-реле на месте, все коммуникации — кровеносные сосуды и нервные нити — в порядке, а логический аппарат отказывает в работе. Врач подписывает приговор: «психическое заболевание».

Не так давно этот приговор был равносилен смертному. Душевный недуг означал интеллектуальную гибель. И лишь в самые последние годы химия вручила психиатрии надежные средства, которые излечили не одного душевнобольного, возвратив его к активной общественной жизни. Бурно развивается юная область древней медицины — психофармакология, наука о веществах, влияющих на высшую нервную деятельность. К сожалению, до сих пор поиск новых лекарств зачастую идет вслепую, «методом проб и ошибок». Вот почему центральным вопросом психофармакологии остается механизм действия медикаментов на те или иные участки коры и подкорки.

Так-то оно так, но при чем тут квантовая химия? Неужто прыжки электронов со ступеньки на ступеньку имеют какое-то значение для функции гигантской машины, составленной из 15 миллиардов деталей-клеток?

В свое время мы узнали, что длительное состояние тоски или страха, беспричинное с точки зрения психиатра, вызвано прямой химической причиной: в крови повышается концентрация адреналина. Или его ближайшего сородича серотонина. Антагонистом этих веществ, нагоняющих страх, является аминазин (хлорпромазин). Он помогает и психически нормальным людям.

Трудно не волноваться перед хирургической операцией. Даже те, кто не из пугливого десятка, боятся металлического звона инструментов. А те, кому был введен аминазин, спокойны и не испытывают страха.

И вот выяснилось, что химизм действия препаратов находится в прямой зависимости от величины, высчитываемой математически и сухо именуемой «коэффициентом k». Этот показатель характеризует энергию связи электрона с молекулой.

Для вычисления энергетических уровней молекул обычно прибегают к двум квантово-механическим приемам. Один из них уже упоминался — это метод валентных схем. Именно его применили впервые Гейтлер и Лондон для расчета молекулы водорода. Метод предполагает, что любую молекулу можно мысленно разбить на ряд двухцентровых двухэлектронных связей. Несколько иная посылка лежит в основе метода молекулярных орбит. Там отвергается утверждение, что электрон находится у определенного атома. Напротив, химическая связь считается результатом движения электронов в суммарном поле, созданном всеми электронами и всеми ядрами. Электрон как бы размазан по всей «молекулярной орбите». Понятно, почему метод молекулярных орбит оказался особенно эффективным для расчета систем сопряженных связей, которые играют первостепенную роль в органической химии и биологии.

Энергия какой-либо орбиты E равна α + kβ. Здесь α — кулоновский интеграл, β — обменный интеграл. Первый выражает энергию электростатического взаимодействия электронов между собой и с ядрами. Второй — энергию обменного взаимодействия. Для веществ, близких по химической природе, значения α и β почти одинаковы. Следовательно, энергия зависит главным образом от величины k. Коэффициент k рассчитывается для двух видов молекулярных орбит — связывающей и разрыхляющей.

Когда образуется молекула, энергия электронов в основном состоянии оказывается меньше, чем сумма прежних энергий электронов в индивидуальных атомах (расщепление уровней!). Потому-то и выделяется тепло при объединении двух атомов H в молекулу H₂. Но если электроны переходят в возбужденное состояние, они подпрыгивают с основной («связывающей») орбиты на более высокую «разрыхляющую». Так она называется оттого, что заполнение ее электронами в результате активации молекулы приводит к «разрыхлению» валентной связи и распаду молекулы на атомы. Энергия разрыхляющей молекулярной орбиты больше, чем у исходных атомных орбит.

Главное — запомнить: удалить электрон со связывающей орбиты тем легче, чем меньше коэффициент k. Стало быть, тем лучшим донором электронов является молекула. Например, для одного из электронных посредников дифосфопиридиннуклеотида ДПН—H k = 0,298. Это очень хороший донор. А у ДПН⁺ +, k = 1,032. Значит, донор из него никудышный.

Равным образом, чем меньше коэффициент k для разрыхляющей орбиты, тем легче молекула присоединяет чужие электроны. Тем лучше из нее акцептор электронов. У ДПН⁺ в этом случае k = 0,356. Очень хороший акцептор! А для ДПН—H k = 1,032. Акцептор из рук вон плохой. А наши антагонисты — аминазин и серотонин? У первого для связывающей орбиты k меньше нуля. Значит, это успокаивающее средство оказывается исключительно щедрым донором. Зато акцептор из него скверный (k = 1). У серотонина же наоборот — способность принимать чужие электроны выражена ярче (k = 0,87). А отдавать свои — э, нет, здесь серотонин «жаднее».

Если целебное действие успокаивающих средств связано с их способностью отдавать электроны, то квантово-механический расчет позволит выявить и более могущественные лекарства! Если введение доноров смягчает симптомы шизофрении, то, быть может, именно недостаток электронов вызывает этот тяжелый психический недуг? Тогда возникает новый вопрос: чем объяснить недостаток электронов? Не присутствием ли в крови акцепторов? А раз так, то на любой акцептор можно найти управу в виде соответствующего донора!

«Я не предлагаю здесь новую теорию шизофрении, — скромно заключает Сент-Дьердьи. — Я пытаюсь лишь показать, что квантовая механика может подсказать новые подходы к важным проблемам, которые уж так давно зашли в тупик». Да, действительно: дистанция между абстрактными математическими расчетами и постелью больного не столь уж велика!

Свою книгу «Введение в субмолекулярную биологию» автор считает последней. И, словно передавая эстафету новым поколениям, престарелый мэтр квантово-механической биологии обращается к читателю с завещанием:

«Я хотел бы сделать только одно предостережение биологам, которые отваживаются вступать в область физических проблем. Между физикой и биологией есть существенное различие. Физика — это наука о вероятностях. Если какой-либо процесс 999 происходит одним путем и только 1 раз другим, то физик, не колеблясь, скажет, что первый путь и есть истинный. Биология — это наука о невероятном, и я думаю, что в принципе для организма существенны только статистически невероятные реакции. Таким образом, в живом организме становятся возможными реакции, которые кажутся физику невозможными или, во всяком случае, невероятными. Когда была вскрыта гробница Тутанхамона, оказалось, что за 3000 лет его завтрак не окислился. Такова физическая вероятность. Но если бы фараон воскрес и сам съел свой завтрак, то последний сгорел бы очень быстро. Такова биологическая вероятность. Сам фараон должен был бы представлять собой очень сложную и высокоорганизованную структуру ядер и электронов, статистическая вероятность которой близка к нулю. Я не хочу этим сказать, что биологические реакции не подчиняются законам физики. В конечном счете объяснить их должна именно физика, но только окольным путем, который на первый взгляд может показаться совершенно неправдоподобным.

Все это делает взаимоотношения физиков и биологов очень сложными. Биолог зависит от суждения физиков, но вместе с тем он должен быть очень осторожен, когда ему говорят, что то или иное событие или явление невероятно. Если бы я всегда соглашался с вердиктом физиков, то мне пришлось бы бросить это направление моих исследований. Я счастлив, что не сделал этого».

Через все научное творчество Сент-Дьердьи красной нитью проходит мысль: не стоит смущаться ошибками и неудачами при решении больших задач. Автор сам так выразил ее в шутливой форме: «Когда я переехал в Вудс-Холл и начал ходить на рыбалку, я всегда носил с собой огромный крючок. Я знал, что все равно ничего не поймаю, но ведь приятнее не поймать большую рыбу, чем маленькую».

Неизведанное — малонадежная почва. И тому, кто на нее вступает, дано утешаться лишь надеждой, что его ошибки окажутся почетными.

Бесстрашие в научных дерзаниях, свежесть взгляда вопреки культу традиционных представлений — вот к чему зовет Сент-Дьердьи. Этого не занимать нашей молодежи.

В декабре 1961 года — за три года до выхода в свет книжки Сент-Дьердьи — в Тбилиси проходил союзный симпозиум по кибернетике. Всеобщее внимание привлекла работа молодых ученых из Института кибернетики Академии наук Грузии. Вот что было доложено младшим научным сотрудником института Квинихидзе и кандидатом физико-математических наук Чавчанидзе.

Математическая модель клетки… Ее еще нет у биологов. Даже такой, которая напоминала хотя бы планетарную модель атома, предложенную Резерфордом. Не говоря уже о квантово-механической модели. А она нужна. Без нее очень трудно ответить на тысячи вопросов, встающих перед биологами. Как работают клетка и ее отдельные цехи? Каков тот заводной механизм, что автоматически регулирует смену циклов ее жизнедеятельности? Что делает этот крошечный организм устойчивым в его непрерывном изменении? Откуда в нем та строгая, поистине воинская дисциплина, которой подчиняются сложнейшие процессы синтеза молекул, деления и передачи наследственной информации?

Живая клетка — самоуправляющаяся система. В этом смысле она подобна человеческому организму. Однако механизм управления в ней иной. Здесь нет нервных путей, по которым бегут импульсы-сигналы. На уровне клетки роль сигнальных «агентов» играют подвижные группы атомов и молекул.

Регулирование процессов обусловлено динамическим равновесием разных сил, действующих на внутриклеточные структуры. Именно уравновешивание противоборствующих сил, почти как в молекуле водорода, сохраняет систему устойчивой.

Эта общая идея и легла в основу первой клеточной модели, разработанной сотрудниками Института кибернетики.

Модель напоминала куриное яйцо. Внутри — ядро. Это «желток». И, как желток, ядро охвачено оболочкой. Сверху «белок», тоже обтянутый пленкой. Среда, окружающая клетку, пока не учитывалась. Принималось, что внутри ядра вещество имеет одну вязкость, снаружи — иную. И что внутри клетки находятся положительные и отрицательные ионы, свободно проникающие через оболочку ядра в обе стороны — внутрь и наружу.

«По правде говоря, — признавались тогда авторы, — сейчас еще нельзя определенно указать, какие структуры реальной клетки имеют электрический заряд. По некоторым новейшим данным, заряженные частицы внутри клетки существуют. Более подробно об этом говорить пока невозможно. В дальнейшем совместные усилия физиков, биологов и кибернетиков, несомненно, позволят выяснить, какова роль зарядов внутри клетки».

Роль зарядов внутри клетки… Уже в те дни интуиция вела грузинских ученых к выводам, которые с таким блеском и с такой глубиной формулирует ветеран квантовой биологии Сент-Дьердьи! В самом деле: донорно-акцепторная связь в комплексах с переносом заряда — разве это не взаимодействие «заряженных частиц»?

Чтобы не усложнять чересчур математические расчеты, авторы ввели в модель всего десять пар разноименных ионов. Ввели по методу Монте-Карло. (Рулетка знаменитого казино увековечила себя в названии математического приема, когда приходится прибегать к розыгрышу, чтобы отыскать случайное распределение отдельных элементов в системе.) И, как бы случайно ни располагались ионы, в любом случае «центры тяжести» положительной и отрицательной групп зарядов не совпадали. Иными словами, система являла собой своего рода диполь. Естественно, что «полюса» стремились сблизиться. Но им мешало противодействие беспорядочного теплового движения ионов. Кроме того, в игру вступала тормозящая сила вязкой внутриклеточной среды.

Вся эта предельно упрощенная и тем не менее сложная картина взаимодействий описывалась математическими уравнениями. Решение их должно было показать, будет ли существовать такая система сама по себе, без всякой программы, без внешнего регулятора, а лишь за счет внутренних сил?

И вот модель запущена. Что-то она покажет?

Тепло разгоняет частицы в стороны, в беспорядке перемешивает их. Случайные встречи одноименных ионов заканчиваются довольно грубым взаимным отталкиванием, разноименных — дружескими объятиями. Казалось бы, восторжествовала полная анархия. Ан нет, в определенный момент направленные силы кулоновского тяготения между полюсами увеличиваются, движение вновь течет по некоему жизненному руслу. И не было случая, чтобы систему настигла «смерть» — чтобы клеточный «диполь» исчез, обратился в нуль, динамическое равновесие сменилось статическим.

Драматический конфликт между силами порядка и хаоса, дезорганизации и дисциплины — таково «жизненное содержание» первой клеточной модели.

Разумеется, модель грузинских математиков отдает классицизмом биологии XIX века. Шарики-заряды, кулоновские силы, броуновское движение — как далеко ушли от этого представления квантовой биологии! Активирующие кванты, уровни энергии, зоны проводимости, перенос заряда, слабые токи — до этого еще не дошел черед. Но, как говорится, лиха беда — начало. Пусть модель проста, быть может, даже примитивна — какие математические расчеты сложных систем не грешат упрощенчеством? Пусть она далека от реальности, быть может, даже наивна — разве модель Резерфорда, величайшее откровение своего времени, не оказалась впоследствии лишь грубо сработанным и вдобавок кривым зеркалом микромира?

Самое примечательное или, лучше сказать, симптоматичное — в другом. Проснулся обоюдный интерес у математиков и биологов. Биологи начинают убеждаться, что без помощи физиков и химиков, без числа и меры им ни шагу ступить в неизведанное. А представители точных наук, со своей стороны, готовы призвать на подмогу всю мощь современного математического аппарата, чтобы проникнуть в самые сокровенные тайны молекулы, кристалла, клетки.

Вот что пишет — известный советский математик член-корреспондент АН СССР Борис Владимирович Гнеденко: «Я не считаю, что уже имеется необходимость создавать особую дисциплину „математическая биология“ наподобие „математической физики“. Но для меня нет сомнений в том, что назрела пора, когда коллективы математиков и биологов должны начать совместную работу над разрешением коренных биологических проблем — работу, в которой математик станет вникать в суть биологических явлений, а биолог — в идейные, а не чисто вычислительные возможности математических методов».

Проникнуть в тайны микромира, чтобы еще лучше сделать жизнь человека. И это не просто красивые слова. Вспомните энергетику и медицину!

Впрочем, только ли медицине сулит богатые плоды великий триумвират наук — математики, физики и химии? Только ли перед энергетикой распахивает он неохватные горизонты?

Ну, конечно же, нет! Теория цветности и химия красителей. Лазеры, в том числе полупроводниковые. Тайны мельчайших кирпичиков мироздания — элементарных частиц. Не сыскать такой области, где бы квантовая механика пришлась не ко двору. Но нельзя объять необъятного: обо всем не расскажешь.

Увы, в органической химии, и особенно в биохимии, все еще царит культ лукрецианских представлений, хотя в наше время стало просто невозможно игнорировать квантово-механическую природу явлений. Ибо с ней мы имеем дело на каждом шагу, подчас и не подозревая об этом. Зачем же уподобляться мольеровскому господину Журдэну, который был несказанно изумлен, узнав, что всю свою жизнь изъяснялся прозой? Нашей ли научной молодежи чураться новых прогрессивных веяний только из-за того, что они, как кажется некоторым близоруким практицистам, «чересчур далеки от жизни»?

Как тут не вспомнить замечательные слова академика Семенова!

«В сущности, — говорил ученый, — в современном естествознании выделяются две главные фундаментальные проблемы. Первая — в физике — теория элементарных частиц, иначе говоря, проблема первичных частиц материи. Вторая касается строения и поведения высокоорганизованной материи в биологии и химии.

10–15 лет назад до биологии дошла с запозданием на полвека революция, зародившаяся в начале XX века в физике и частично в химии. Биологи вкупе с физиками и химиками начали проникать во внутренние физико-химические основы удивительных явлений жизни. За 15 лет уже получены интереснейшие научные результаты, причем темпы работ непрерывно нарастают. Как в свое время при изучении строения атома, эти крупнейшие научные достижения не имеют сейчас и, быть может, не будут иметь еще некоторое время серьезных практических результатов. Но нет сомнения, что рано или поздно они приведут к революционным сдвигам в медицине и отчасти в сельском хозяйстве. Так, например, я уверен, что проблема лечения рака может быть решена лишь на основе развития этого направления биологии. Я уверен, что работы по выяснению механизма физико-химических процессов в жизнедеятельности приведут также к подлинной революции в химии».

Это ли не отповедь тем, кто любую попытку углубиться в теорию аттестует как «отрыв от жизни, от практики»?

«Теория наиболее практична. Она — квинтэссенция опыта». Эти слова Людвига Больцмана как нельзя лучше характеризуют квантовую химию.

…Почему из кедровой шишки не вырастает баобаб? Отчего у кошки всегда рождаются котята, а не тигрята, у собаки — щенята, а не волчата? Где те сокровенные пружины, которые управляют наследственностью?

Вопросы могут показаться сугубо теоретическими. Но так ли уж они оторваны от практики? Выведение высокоурожайных сортов растений, высокопродуктивных пород домашнего скота, даже, быть может, лечение раковых опухолей — все упирается в природу наследственности. Недавние исследования в этой области привели к расшифровке «генетического кода», в соответствии с которым строятся белковые молекулы. Но еще не все детали процесса, называемого переносом генетической информации, выяснены учеными. И чем глубже теоретический поиск, тем богаче практические плоды его.

Каким образом действуют лекарства на больной организм? Какова роль ничтожных добавок элементов к пищевому рациону человека, домашних животных и культурных растений? Какова химическая технология процессов жизнедеятельности?

Исследование химизма явлений внутри живой клетки — верный путь к здоровью, долголетию, изобилию.

И не будь квантовой химии, насколько затормозился бы прогресс биологии, медицины и сельского хозяйства!

С другой стороны, проникновение в физико-химические принципы живой природы — это путь к совершенствованию химической технологии.

Получение азотных удобрений — сложный производственный процесс, где не обойтись без высоких давлений и температур. А клубеньковые бактерии легко усваивают азот из воздуха даже в холодную погоду и при любых показаниях барометра. Вот что значит ферменты! Поразительна их активность и избирательность. Микроскопичны дозы этих живых катализаторов, но колоссально количество «сырья», которое они способны переработать.

Разобравшись в механизме действия ферментов, ученые создадут эффективные катализаторы, которые избавят производство от трудоемких, дорогостоящих и далеко не безопасных химических процедур.

Управлять составом и пространственной структурой синтезируемых полимеров — это по собственному усмотрению придавать пластикам электропроводность, прочность, жаростойкость. Самое тонкое регулирование вполне осуществимо с помощью так называемых стереоспецифических катализаторов. Именно такие процессы и вещества создают сложнейшие внутриклеточные постройки. Изучение их принесет переворот в технологию полимеров.

Теоретические и практические успехи каталитической химии не оставляют сомнения в том, что создание подобных веществ вполне реально. Конечно, вовсе не обязательно копировать до тонкостей ферменты. Уже сегодня удается моделировать их устройство и принципы действия с хорошей степенью близости к реальным явлениям. Так, недавно открыты комплексные катализаторы процессов полимеризации. Они чем-то напоминают ферменты. Во всяком случае, с их помощью можно проводить синтез этилена, пропилена и других мономеров при атмосферном давлении и комнатной температуре. А ведь раньше это казалось несбыточной мечтой!

Созданы катализаторы, содержащие ванадий, которые похожи своей изумительной производительностью на микроэлементы. Каждый грамм ванадия позволяет получить до тонны полимера.

Мышца. Замечательный аппарат, способный превращать химическую энергию непосредственно в механическую работу с кпд втрое большим, чем у паровых машин. Маршрут обходится без пересадок: без паровых котлов, турбин и электромоторов. Подобные движители внесут революционные изменения в технику. Полимерные мускулы неузнаваемо изменят облик теперешних машин: экскаваторов, лебедок, блоков. Вместо колес появятся ноги-рычаги, шагающие через ухабы и ползающие по дну моря. Самолеты еще больше будут походить на птиц, обзаведясь машущими крыльями вместо неподвижно распластанных в воздухе. И все это без электромоторов и двигателей внутреннего сгорания!

Мышечный белок миозин — высокомолекулярное соединение, сотворение которого покамест является монопольной прерогативой живого организма. Но уже созданы первые полимерные ленточки — аналоги этой чудесной могучей ниточки. Они сокращаются при изменении кислотности среды. Этот эксперимент, поставленный в лаборатории советского академика Владимира Александровича Энгельгардта, открывает перед конструкторами совершенно новые перспективы.

Мозг. Это не просто грандиозное скопление клеток, хитросплетение нервных волокон и кровеносных сосудов. Это уникальное счетно-решающее и логическое устройство, состоящее из 15 миллиардов ячеек. Но оно весит всего около полутора килограммов. Потребляемая им мощность такая же, как и у небольшой электрической лампочки. Ему нужно всего 5 граммов глюкозы и около 3 литров кислорода ежечасно. Таких машин еще не создали человеческие руки. Мозг до сих пор остается клубком неразгаданных тайн. Но этот клубок уже начали распутывать ученые — ниточку за ниточкой, методично, скрупулезно. И здесь на помощь физиологам пришла квантовая биология и кибернетика.

Так в тесном взаимодействии, бок о бок, с обоюдной заинтересованностью ведут ученые нелегкий поиск на стыках наук. Лучше понять друг друга им помогает математика. И прежде всего могучий аппарат квантовой механики.

Еще не скоро появятся белково-электронные роботы, повторяющие (а может, и превосходящие?) функции мозга со всей их эффективностью. Но уже сегодня вторжение счетной техники в сферу умственной деятельности изменяет облик химических лабораторий. Оказалось, что в принципе можно в некоторых случаях обойтись без традиционного инструмента химических исследований — колбы. Даже без самих реагирующих веществ. Как это делается, вы прочитаете в следующей главе.

Квантовая химия продолжает наступление на твердыни природы. Трудности — где их нет? — не смущают ученых. Настанет день, и лабораторный сложнейший эксперимент будет сначала проводиться не в колбе, а на бумаге. На смену интуиции и эмпирике всюду придет точный расчет. Квантовая химия будет не просто проверять и поправлять экспериментаторов, она сама станет мощным орудием химического синтеза. Материалы с невиданными свойствами будут конструироваться с помощью чертежей и математических уравнений.

Этот день не за горами. Ибо все шире фронт работ на стыках наук. Все дальнобойней дерзкие рывки научной мысли. Все теснее смычка теории с практикой.

Наука у нас становится непосредственной производительной силой общества, сказано в Программе КПСС. Именно такой наукой становится квантовая химия и биология.