Математика для хімії

До 100-річчя від дня народження видатного американського фізико-хіміка Пола Джона Флорі.

У 1974 році Пол Джон Флорі був визнаний гідним Нобелівської премії з хімії «за фундаментальні­ теоретичні та практичні досягнення в галузі фізичної хімії макромолекул». У нобелівській лекції вчений напівжартівливо зазначив, що нітроцелюлоза — основа динаміту — теж є полімером, тому його дослідження в певному сенсі продовжують справу великого мецената.

Доля Пола Джона Флорі — утілення «американської мрії». Народився в маленькому провінційному містечку Стерлінгу в Іллінойсі, у скромній учительській родині (батько викладав Священне Писання в недільній школі, а мати навчала місцевих дітлахів більш «земної» географії), закінчив звичайний американський університет, улаштувався в перспективну, але молоду й маловідому на той час компанію. Але і ВНЗ, і фірми, де він викладав і працював, незабаром перетворювалися на світові центри хімічної науки та виробництва, а сам учений за життя став одним із найавторитетніших хіміків XX століття.

Ні, не можна сказати, що Пол Флорі цілком «зробив себе сам»: у нього був чудовий учитель — Уоллес Карозерс. Сьогодні ім’я цього талановитого хіміка-органіка незаслужено забуто широким загалом — на відміну від його винаходів, які в наш час відомі навіть не обізнаній у хімії людині. Обійнявши в 1928 році посаду головного хіміка компанії DuPont, Карозерс менш ніж за десять років синтезував і запустив у промислове виробництво три речовини, які змінили світ: неопрен — водонепроникний синтетичний каучук для водолазних костюмів, синтетичний мускус для парфумерії та перше поліамідне волокно, запатентоване в 1937 році під торговельною маркою «нейлон». Нейлонові панчохи, які надійшли в продаж у 1939 році, на наступні десять років стали хітом продажів, але тріумфу свого відкриття Карозерс не побачив: буквально відразу після синтезу диво-волокна сорокалітній учений покінчив із собою. Можливо, причиною затяжної депресії Карозерса було відчуття все більшої комерціалізації хімії, гонитва за матеріалами-«бестселерами», у той час як головний хімік DuPont мріяв створити центр для проведення фундаментальних досліджень у галузі синтезу полімерів…

У будь-якому разі, він відразу помітив молодого співробітника — двадцятичотирирічного Пола Флорі, який прийшов у компанію після здобуття докторського ступеня в Університеті Огайо. Карозерсу дуже імпонувала еволюція наукових поглядів Флорі: почавши як «чистий» органік, той незабаром розчарувався в суто прикладних синтезах і несподівано зайнявся найбільш «точною» галуззю хімічної науки — фізичною хімією. Карозерс повернув молодого колегу до його першого захоплення — хімії полімерів, і при цьому дав йому те, чого той свого часу не зміг у ній знайти: Флорі було доручено «зробити математику» для хімії — розробити кількісну теорію полімеризації, без якої (це Карозерс розумів абсолютно точно) не можна було говорити про спрямований і прогнозований синтез нових сполук.

Флорі із вдячністю прийняв пропозицію. Створена ним статистична механіка полімерів стала фундаментом усіх наступних прикладних розробок. Основи нової теорії було закладено в DuPont. Тут, зокрема, учений довів, що активна кінцева група зростаючого полімерного ланцюга реагує з новою молекулою майже з тією ж швидкістю, що й аналогічна група молекули-«одиначки», тобто швидкість ­полі­меризації не залежить від розміру молекули. Тим же періодом датоване й відкриття явища перенесення активної кінцевої групи з однієї молекули на іншу. Однак цілісну «картинку» ці відкриття склали пізніше. Важливим узагальненням було введення для полімерів поняття «ідеального розчину» — так Флорі назвав стан, у якому поведінка макромолекул описувалася простими співвідношеннями, які нагадують рівняння для ідеального газу. З’ясувалося, що такого ідеального стану розчин полімеру набуває внаслідок зменшення температури нижче певного значення (учений назвав його тета-точкою), причому для кожного виду макромолекул воно ­настільки специфічне, що дозволяє­ навіть ідентифікувати дослід­жувану сполуку.

Пішовши з DuPont, Пол Флорі­ неодноразово змінював місце роботи: у 1938-му влаштувався в лабораторію Університету Цинциннаті, через два роки вивчав процеси нафтопереробки в Standard Oil Development Company, ще через три роки перейшов у Goodyear — компанію, що виробляла гуму. І скрізь утілював мрію свого вчителя — пере­творював суто виробничі лабораторії на центри фундаментальних досліджень. Саме в таких, здавалося б, далеких від чистої науки лабораторіях одна за одною з’являлися злагоджені тео­рії:­ полімерів із декількома ­актив­ними групами, гелів, сумішей макромолекул… Нобелівська премія лише підтвердила значущість цих відкриттів.

А ще Флорі й Нобеля ріднило щире, часом по-дитячому наївне бажання допомогти людям. Коли Андрій Сахаров із дружиною Оленою Боннер були в горківському засланні й не мали можливості виїхати з країни на лікування, американські активісти боротьби за права людини влаштовували демонстрації на їх підтримку, а Флорі замість цього просто звернувся до радянського уряду із пропозицією… «обміняти» Олену Боннер на нього, щоб жінка могла поїхати на операцію.