Жизнь замечательных устройств

1767. Бутыль Вульфа

Есть мнение, что химик должен быть аккуратен всегда и во всём. Конечно же, при проведении экспериментов мы должны быть внимательны и точны, но временами аккуратность в одном компенсируется хаотичностью в другом: я знаю коллег (да что знаю, сам к ним отношусь), рабочий стол которых что на работе, что дома наводит на мысли о представителях маленького народца, которые в отсутствие хозяина прибегают развлекаться, раскидывая бумаги, ручки и прочие элементы офиса).

С другой стороны, беспорядок на моём столе воспринимается мной как особая форма порядка, которая подконтрольна только мне, и на выездах в командировки за чужими столами бывает тяжело работать, особенно если на них царит идеальный порядок.

Один из самых неаккуратных химиков, вошедших в историю химии (я вполне допускаю, что это не был самый неаккуратный химик вообще, но ещё менее аккуратные химики следа в истории науки не оставили) – Питер Вульф – вспоминается в связи с разработанной им стеклянной лабораторной посудой, которая сделала работу с газами эффективнее и безопаснее – бутыли Вульфа.

Вульф родился в 1727 году в Теермаклейне, пригороде ирландского города Лимерик, более всего известного появившейся в нём особой формой стихосложения. В молодости после провала второго якобитского восстания, одной из целей которого была попытка реставрации династии Стюартов и передачи власти католику по вероисповеданию Карлу Эдуарду Стюарту, ему пришлось бежать из Британии в Европу, где он присоединился к ирландцам-католикам, рассеянным по Испании и Франции. Пожив некоторое время в Испании, Вульф переехал в Париж, где жил и работал его родственник – банкир Джордж Вульф, который помимо всего прочего был агентом Карла Стюарта или, как его звали сторонники, Красавчика принца Чарли.

В Париже Вульф начал посещать лекции по химии, в которых принимал участие талантливый химик-самоучка Гийом Франсуа Руэль (сам Руэль прежде всего известен тем, что в 1754 году ввёл в химию понятие основание – вещество, при вступлении в реакцию с кислотой образующее такую твёрдую форму как соль). Руэль занимал должность ассистента лектора по демонстрационному эксперименту в парижском «Саду растений» – в то время «сад» был институтом, преимущественно связанным с естественной наукой, сейчас это открытый для посетителей ботанический сад. Поведение Руэля на лекциях успело обрасти скандальной славой: он мог начать возражать лектору, а мог вообще оттеснить ученого мужа с кафедры и начать читать лекцию за него, в возбуждении расстёгивая сюртук. Такое поведение человека, который, как предполагалось, должен был представлять безмолвную функцию демонстратора экспериментов, развлекало аудиторию. На лекциях с участием Руэля появлялись и молодой Антуан Лавуазье, и энциклопедист Дени Дидро.

Вульф свёл знакомство с Руэлем, под его началом начал заниматься практической химией и вскоре познакомился со многими другими известными химиками того времени. Во время проживания в Европе Вульфа главным образом интересовала минералогия, он совершал экспедиции в Германию, Венгрию и Богемию (нынешняя Чехия), откуда привозил целые коллекции образцов. В 1750 году Вульф вернулся в Лондон, где его парижские друзья свели его с Джоном Стюартом, графом Бьютским, шотландским аристократом, которому был не чужд интерес к естественным наукам, прежде всего – ботанике и минералогии. Граф Бьютский был наставником принца Уэльского, будущего короля Георга III, его покровительство значительно повышало шансы молодого католика на карьеру в протестантской Британии. Вульф начал работу в домашней лаборатории герцога.

Через семнадцать лет, в 1767 году Вульф становится членом Королевского научного общества. В этом же году он пишет статью «Эксперименты с перегонкой кислот и летучих щелочей…» (Phil. Trans. 1767, 57, 517 (DOI: 10.1098/rstl.1767.0052), в которой описывает способы работы с такими токсичными газами, как аммиак, хлороводород и хлорэтан, предлагая предварять сбор газа в контейнер процедурой его пропускания через колбу или бутылку, содержащую воду. Сама по себе предложенная процедура не была новшеством – за сто лет до Вульфа охлаждал газы, пропуская их через жидкость, еще Иоганн Глаубер.

Тем не менее, в подходе Вульфа были свои преимущества, которые значительно улучшали условия работы в лаборатории. Как отмечал Вульф в своем письме, пропускание газа сквозь воду в процессе получения азотистого воздуха (оксида азота (II)) служило для предотвращения образования опасных газов, которые могли бы повредить лёгким экспериментатора. Предложенная им аппаратура для пропускания газов через жидкости позволяла получать сильные кислоты и щелочи. Позже Вульф провел эксперимент по нитрованию индиго и получил окрашенную в жёлтый цвет пикриновую кислоту (тринитрофенол), хотя и не оценил потенциал применения этого вещества в качестве взрывчатки. Для пропускания газов через жидкость Вульф разработал двух- или трёхгорлый сосуд из толстого стекла, который ещё можно встретить в лаборатории, где его называют просто «Вульфом» или «Вольфом». Правда, бутыль Вульфа встречается в лабораториях всё реже – её заменила более удобная в использовании промывная склянка Дрекселя.

Практические навыки Вульфа и его личные связи со временем привели к тому, что он стал поставщиком новых образцов минералов для английских минералогов, хотя известно, что ряд минералогических описаний был сделан непосредственно Вульфом. Вульф мастерил стеклянную посуду для Джозефа Пристли и учил его работать с газами. Вульф готовил реактивы для Джозефа Бэнкса, отправлявшегося исследовать южные моря с экспедицией Капитана Кука – с точки зрения положения в обществе Вульфа вполне можно было считать успешным учёным своего времени.

Однако история сохранила имя Вульфа только в бутылке его имени. Как учёный Вульф исповедовал в работе странноватые и устаревшие подходы. Если к лично приклеенным Вульфом к каждому химическому прибору в своей лаборатории рукописным текстам молитв можно было бы отнестись с пониманием, то химические воззрения, которых придерживался Вульф, были весьма архаичны даже для его времени, и он не менял их даже под влиянием новых открытий. Вульфа не впечатлила кислородная теория горения Лавуазье, до конца дней он оставался активным сторонником флогистонной теории. Не исключено, что Вульф верил не только в флогистон, но и в возможность трансмутации металлов в золото (некоторые из его экспериментов со ртутью и серой слишком похожи на попытки получения философского камня).

Известно, что в год, когда Королевское общество приняло Вульфа в свои ряды, он уже был членом занимавшейся оккультными практиками масонской ложи «Лондонское универсальное общество постижения Новой Иерусалимской церкви», которое, действуя на грани дозволенного, привлекало радикально и эксцентрично настроенных священников, художников и учёных, и общий настрой членов этой ложи как нельзя кстати соответствовал эксцентричному поведению Вульфа. Он запросто мог пригласить друзей позавтракать у него в 4 утра, но открывал дверь только тому, что стучал в дверь секретным стуком. Те, кто все же попадали на это «чаепитие жаворонков», потом удивлялись, что завтракать (в частном доме, в Лондоне, в 18-м веке) приходилось в лаборатории, где в беспорядке стояли жаровни, химикаты, стопки бумаг, различные ящики, коробки и мешочки. Упоминается, что однажды, зайдя в домашнюю лабораторию, Вульф снял шляпу и больше не смог её найти – затерялась где-то среди всего «рабочего порядка». Умер Вульф в возрасте 76 лет, подхватив простуду, которую, как он думал, можно вылечить, прокатившись в карете от Лондона до Эдинбурга и обратно (современные атласы говорят, что сейчас для этого путешествия по автомобильным дорогам Британии придется ехать без малого 600 километров только в одну сторону). Столь нетривиальный подход к самолечению стал последней эксцентричной выходкой Вульфа в жизни.

Сейчас, конечно, никто из моих коллег не рискует потерять головной убор, сняв его в лаборатории, однако ирония в том, что современные стандарты рабочего места химика продиктованы тем же, чем руководствовался Вульф – техникой безопасности.

1777. Фигуры Лихтерберга

Какое лабораторное оборудование можно считать наиболее важным в наши дни? Оптимисты найдут вспоминать различного рода спектрометры, которые им хотелось бы завести в лаборатории, чтобы ускорить научную работу, пессимисты – вспоминать, какой стеклянный прибор они разбили на прошлой неделе, после чего работа остановилась совсем.

Реалисты же, к которым я имею привычку относить себя, сразу же вспомнят устройство, с которым мы прошли не одну аккредитацию, составили немало заявок на получение грантов и чуть меньшее число отчётов по полученным грантам, благодаря которым и удается оплатить работу спектроскопистов, пополнить количество бьющихся лабораторных стекляшек и организовать работу.

Надеюсь, читатели поняли: самым важным лабораторным оборудованием дня сегодняшнего по праву можно считать компьютер – оборудование, на котором работают даже те мои коллеги, которые давно уже не анализируют «сырые» спектры и тем более не стоят у вытяжного шкафа, собирая приборы из стеклянной посуды.

Говоря точнее, самым важным оборудованием можно считать даже не компьютер, а лабораторный принтер, поскольку электронный документ в наши дни можно составить или выправить даже с помощью телефона (хоть это и неудобно, но возможно – бывало, мне приходилось сидеть в поезде и срочно править на телефоне электронные таблицы, а потом отсылать их своему руководству), а вот чтобы распечатать его в обязательных двух или трех экземплярах, без принтера не обойтись. Самым распространённым типом принтера сейчас является принтер лазерный, мы редко задумываемся о том, как и когда были разработаны принципы лазерной печати, а между тем фигуры Лихтенберга – физические явления, которые легли в основу этих принципов, – впервые удалось наблюдать ещё в XVIII веке.

Георг Кристоф Лихтенберг родился в 1742 году в городке Обер-Рамштадт неподалёку от Дармштадта в семье священника. Возможно, Лихтерберг мог бы пройти кастинг на роль Ричарда III в одноименной трагедии Шекспира, но только после достижения определённого возраста, а так горбатый и непропорционально сложенный мальчик чувствовал себя изгоем и страдал от одиночества, несмотря на то, что у него было пятнадцать братьев и сестёр. Как это нередко бывает у сильных духом людей, Лихтенберг компенсировал свои физические недостатки, развивая интеллект. В 1763 году он отправился преподавать физику в Университет Геттингена, а через шесть лет уже получил должность экстраординарного профессора, хотя и не только за учёные заслуги – администрация надеялась, что умение Лихтенберга общаться и его знание языков благотворно скажется на репутации университета.

В 1770 и 1774 годах Лихтенберг два раза посещал Британию, эти поездки оба раза производили на него большое впечатление, в итоге сделав из него увлечённого англофила. В Британии он встречался со своим тёзкой – королём Георгом III (представителем Ганноверской династии, зародившейся на землях, близких к месту рождения самого Лихтенберга), и, что более важно, с Джеймсом Ваттом и Джозефом Пристли, которые повлияли на его научные взгляды. В Британии Лихтенберг также водил знакомство и с литераторами, например, Джонатаном Свифтом, под влиянием которых решил писать не только научные трактаты, но и афоризмы (временами на грани приличия своего времени), литературную сторону и образность которых высоко оценивали Эммануил Кант и Вольфганг фон Гёте. Лихтенберга можно считать первым блогером своего времени (правда, пишущим «под замок»): он заносил в свои записные книжки каждую мелочь – что-то, что бросилось в глаза, впечатления от прочитанных книг, планы экспериментов, равно как и то, удалось ли или нет реализовать планы. Лихтенберг умел и работать, и веселиться, и был неплохим компаньоном: как-то раз после бурной пирушки, в которой также принимал участие Алессандро Вольта, Лихтенберг заметил, что Вольту можно назвать экспертом по электризации девушек (думаю, что же было на этой пирушке, лучше предоставить воображению). Лекции Лихтенберга по физике привлекали даже тех студентов, у которых физика не входила в учебный план – скорее всего Лихтенберг был первым лектором в Германии (а может и во всём мире), дополнявшим лекции по электричеству демонстрационными экспериментами. Временами послушать и посмотреть его лекции приходили не только студенты, известно, что среди слушателей Лихтенберга был математик Карл Гаусс. Лихтенберг написал учебник по естествознанию, который оставался образцовым учебным пособием несколько десятилетий. Именно за этот труд Петербургская академия наук приняла Лихтенберга в иностранные почётные члены.

Хотя интересы Лихтенберга в естественных науках были разнообразны, да и выходили за пределы естествознания, наибольший научный вклад был сделан им в изучение электрических явлений. Именно ему принадлежит введение обозначения разных полюсов источника электричества знаками «+» и «-» (положительное и отрицательное напряжение). До него эти полюса и само электричество имели другие обозначения – «стеклянное» и «гуттаперчевое», «янтарное» и «шерстяное» и всякое прочее, что, естественно, не облегчало взаимопонимание физиков из разных стран (по версии американских физиков, систему положительного и отрицательного полюсов источника тока предложил один из отцов-основателей Бенджамин Франклин). Для экспериментов Лихтенберг построил большую электростатическую индукционную машину – изолированный металлический диск диаметром около 2 метров, который он заряжал по методу Вольты. Тут-то он и обнаружил фигуры, названные впоследствии его именем. Комната, где планировалось проводить эксперимент, была заполнена пылью, но Лихтенберг так торопился начать эксперимент, что не дал пыли осесть и не стал ждать уборки. В процессе электризации диска было обнаружено, что пыль осаждалась на его поверхность странным образом – «образуя подобие фигур звёзд на ночном небе». Подумав, что причиной формирования таких «пыльных узоров» является электростатика, он зарядил диск электричеством из лейденской банки и увидел образование различных по форме фигур-картин. Заменив пыль угольным порошком, Лихтенберг нашёл способ переносить узоры на бумагу, тем самым став изобретателем принципа электростатической печати. Дальнейшие эксперименты привели к тому, что форму фигур стало возможным контролировать, хотя, честно говоря, сам Лихтенберг делал это только для увеличения зрелищности экспериментов. Он не думал, что обнаруженный эффект когда-то может найти практическое применение.

Лихтенберг продолжил изучение электричества, доказав, что молнии имеют электрическую природу. Для этого он запускал воздушный змей в грозу (помимо него с грозовым электричеством экспериментировали опять же Бенджамин Франклин, которому повезло выжить, и друг Ломоносова Георг Рихман, погибший от удара молнии). Лихтенбергу, как и Франклину, удалось благополучно пережить ловлю молний в грозу, но что интересно – у людей, которым все же не везёт настолько, что в них попадает молния, на коже часто наблюдается разветвлённый рисунок, похожий по структуре на фигуры Лихтенберга.

Идея электростатической печати, о которой впервые сообщалось в 1777 году, не была востребована до 1938 года. В этом году американский изобретатель Честер Карлсон запатентовал метод «электронографии». Метод был основан на том, что металлическая пластинка, покрытая слоем полупроводника, например, серы, антрацена или антрахинона, накапливала электрический заряд при облучении светом, к заряженным областям прилипал порошок-пигмент, который затем можно было перенести на бумагу. Карлсон пытался внедрить изобретение, но у него не получалось, и он перепродал права на «электронографию» фирме Haloid Company которая переименовала принцип печати в «ксерографию». В 1959 был выпущен копировальный аппарат Xerox 914, способный изготавливать 100000 копий в месяц, а в наше время «ксероксом» мы называем любую технику для создания копий, независимо от фирмы производителя, а глаголом «ксерить» обозначаем процесс копирования. В наши дни о Лихтенберге почти никто не помнит, но результаты его открытия есть в любом принтере, копире или многофункциональном устройстве в лабораториях, офисах и даже квартирах.

1782. Пирометр Веджвуда

В ветхозаветной книге пророка Даниила говорится, как царь вавилонский Навуходоносор, разгневавшись на праведных юношей Ананию, Азарию и Мисаила, приказывает сжечь их в печи, раскалённой в семь раз больше обычного. Праведники и пророки, конечно, спаслись, но разговор не об этом. Скорее всего, приказ царя о том, что печь нужно было раскалить всемеро от обычного – просто метафора, связанная с магическими свойствами семёрки.

Во времена царя новохалдейской династии Набу-кудурри-уцура, правившего с 605 по 562 год до н. э., не существовало методов количественного измерения температуры пламени (как, правда, и любой другой температуры). Единственные способы оценки нагретости предметов и очагов, которые применялись долгое время – помещение металла в печь, нагревание и анализ того, каким цветом светится этот металл. Сокращённые названия цветов каления («красное каление», «белое каление») часто до сих пор используются металлургами вместо указания температуры. Древние знали, что металл, нагретый до белого каления, горячее металла, нагретого до красного каления, но это было лишь качественной оценкой, которая помимо прочего зависит от природы металла или сплава. Способ измерения температуры печек или жаровень был разработан только спустя две тысячи лет после Навуходоносора, и одним из первых людей, предложивших решение задачи, был дед Чарлза Дарвина по материнской линии Джозайя Веджвуд, производитель керамики, который, помимо прочего, считается отцом-основателем промышленного дизайна.

Веджвуд родился в семье гончаров, его отец владел маленькой гончарной фабрикой, он отправил сына в школу, однако отец вскоре умер, и Джозайе пришлось бросить школу и начать обучаться семейному делу на производстве, перенимая навыки семейного ремесла у старшего брата. Так бы и мог остаться Джозайя Веджвуд простым (или не простым, а очень искусным) гончаром, но в подростковом возрасте он заболел оспой, вылечился, но из-за осложнения подвижность его коленного сустава значительно понизилась, и он уже не смог вращать гончарный круг.

Невозможность работать руками (точнее ногами) дала Веджвуду возможность изучить все стадии производства керамических изделий, разработать новые способы изготовления и самой керамики, и глазировки для её украшения. Старший брат Джозайи скептически относился к инновационным идеям своего младшего, поэтому, когда ученичество кончилось, Веджвуд не стал работать на семейном предприятии, а организовал свое собственное дело. Веджвуд разрабатывал собственные рецепты, часами проводил время в лаборатории и на производстве, в его личном архиве задокументированы результаты нескольких тысяч проведённых лично экспериментов.

В 1762 году больное колено снова повлияло на судьбу Веджвуда. В результате неудачного падения он травмировал сустав, и в доме лечившего его врача был представлен богатому и хорошо образованному дельцу Томасу Бентли, знакомство с которым повлияло и на вкусы Веджвуда, и на его дальнейшую деятельность. Бентли и Веджвуд вели интенсивную переписку, обмениваясь идеями и о способе ведения бизнеса, и о новых технологиях. Позже Веджвуд познакомился с Эразмом Дарвином; Бентли, Дарвин и Веджвуд были одними из основателей Лунного общества Бирмингема – клуба и неофициального учёного общества деятелей британского Просвещения. Чуть позже к Обществу присоединился Джозеф Пристли, для которого Веджвуд и создал свой первый пирометр.

Веджвуд изучил свойства природных глин своей страны, показал возможность получения разнообразных глиняных изделий через применение примесей, разработал многие вопросы, касающиеся глазури разных цветов и изобрёл особый род глиняных изделий, носящих его имя. Бизнес Веджвуда рос, его имя приобрело известность за пределами Британии – сервизы Веджвуда доставлялись ко дворам монарших особ Европы. Двор Императоров Российской Империи не был исключением: некоторые свои сервизы Веджвуд изготовил для Екатерины II. На производстве контролировалось практически всё: чистота исходных материалов, точность состава керамических композиций, квалификация персонала, но одна проблема оставалась – качеству изделий, а, следовательно, и бизнесу угрожало отсутствие надёжных способов контроля температуры обжига керамики.

Предлагались и опроб                                                                                                                                                                      овались многие способы измерения температуры печи, но большинство из них было неудобным и непрактичным. Казалось бы, что металлические стержни будут расширяться пропорционально увеличению температуры, однако измерить их длину, когда они были разогреты до красного каления, было невозможно, изменяющие свой цвет с изменением температуры цветные композиции из стекла оказались ненадёжными. Веджвуд уцепился за идею обжига дисков из глины, легированных оксидом железа. При обжиге в горне такие диски темнели, изменяя цвет от бежевого до чёрного, проходя все оттенки коричневого. Оттенок, который приобретал такой диск, зависел от температуры, воздействию которого он подвергся. Казалось бы, решение было найдено, но, будучи перфекционистом во всём, Веджвуд отверг и этот подход, опасаясь, что «пары флогистона» в горне могут загрязнить диск и привести к его бессистемному обесцвечиванию.

При изучении глиняных фрагментов было обнаружено следующее: глина уменьшалась в объёме при нагревании, и, в отличие от металлов, при охлаждении не возвращалась в исходные размеры. Именно это свойство Веджвуд и решил использовать: он изготовил цилиндры или конусы из считавшейся эталоном чистоты для британцев Корнуолльской глины, эти глиняные изделия помещали в горн печи. После нагревания в печи определялось укорачивание глиняных изделий при помощи особых линеек, лежащих под углом одна к другой. Для измерения температуры с помощью таких глиняных фигурок Веджвуд разработал свою собственную температурную шкалу – шкалу Веджвуда. Статья Веджвуда о способе измерения температуры горна была зачитана Джозефом Бэнксом на заседании Королевского общества по развитию знаний о природе в мае 1782 года, и в 1783 года изобретатель первого пирометра был принят в члены Общества. Вторая статья Веджвуда описывала модификацию метода и попытку соотнесения температурной шкалы глиняного пирометра с температурной шкалой ртутного термометра Фаренгейта. Долгое время метод измерения температуры горна с помощью пирометра Веджвуда оставался единственным доступным способом, в точности и воспроизводимости результатов которого никто не сомневался. Лишь после смерти Веджвуда в 1795 году у учёных стали появляться сомнения в надёжности подхода: оказалось, что показания пирометров Веджвуда зависят от сорта глины, продолжительности нагревания цилиндрика и других факторов, благодаря чему различие показаний может быть очень велико. В начале XIX века французский химик Луи Бернар Гитон де Морво разработал высокотемпературный термометр, работа которого была основана на отвергнутом Веджвудом принципе расширения металлов при высоких температурах, который стал основанием для пересмотра шкалы Веджвуда. В наше время на смену пирометрам Веджвуда и термометрам де Морво пришли термопары и оптические пирометры.