КРИСТАЛЛЫ

КРИСТАЛЛЫ

Молекулярная эстетика.

- Обуздание геометрических устремлений глюкозы в улье.

- Пчеловод-промышленник в роли кристаллографа.

Любой химик, а автор по своей основной профессии относится к этой категории людей, испытывает немало эстетических переживаний, когда бывает занят самой прозаической работой - очисткой природных или искусственно получаемых веществ.

В душе исследователя, приступающего к такому делу, всегда таится надежда - получить вещество в кристаллическом виде. Это сразу решает массу проблем и среди них главную - кристаллы при последующей перекристаллизации сами себя чистят, освобождаясь от случайных спутников, или веществ-примесей. Однако удача редко приходит сразу: вещество не спешит выпасть в граненных формах. Ему что-то мешает и этим что-то являются молекулы других веществ, присутствующие в растворе: самого растворителя, и тех веществ-спутников, от которых решил избавиться химик. Если молекулы вещества, подлежащие перекристаллизации, преобладают в растворе, они так или иначе находят себя, то есть располагаются друг относительно друга в определенном порядке. Этот порядок обусловлен зонами наименьшей энергии, своего рода Энергетическими лунками . Заняв столь удобные места, молекулы образуют тем самым первые элементы кристаллической решетки.

Раз возникнув, эти очаги начинают быстро расти, притягивая из окружающего раствора свои молекулы . Молекулы другой природы улавливаются решеткой случайно и в очень небольшом числе. С повторной перекристаллизацией случайности уменьшаются, что и позволяет веществу очиститься от незнакомцев в жидкостной неопределенности.

Химик, используя врожденное влечение каждого вещества к чистоте и упорядоченности, всячески торопит события. Рано или поздно происходит долгожданное: раствор, на мгновение замутившись, наполняется вдруг новым свечением - это, сверкая всеми гранями, нарастая как снежинки на морозных стеклах, зарож даются и спадают на дно колбы кристаллы и их гроздья. От них нелегко оторвать взгляд. Конечно, кристаллы могут выпасть и очень мелкими, и тогда человеческий глаз не сможет различить их грани, но в таком случае выручит любое .увеличительное стекло. Кристалл тут же волшебно преобразится, его размеры попадут в оптимальное ложе или створ восприятия наших органов чувств, в данном случае - зрения, и искатель чистых молекул - химик - долго будет заворожен явлением еще одного чуда природы - обретением веществом своей формы. Созерцая ее, человек видит, что любое вещество материального мира, упаковавшись в свою кристаллическую решетку, вызывает у нас бескорыстное любование, как сказал об эстетическом чувстве выдающийся исследователь природы прекрасного немецкий философ Иммануил Кант.

Кристаллы своими совершенными формами и радугой отраженных лучей так же, как и цветы, способны оказывать эстетическое влияние на психику человека. Образцы прекрасного, неживые кристаллы могут расти, буквально прорастая в область живого. В таких случаях людям бывает не до эстетических эффектов, поскольку приходится переносить боль, вызываемую теми веществами (соли щавелевой и желчной кислот, мочевая кислота, холестерин и т. п.), которые укладываются в жесткую структуру в организме - суставах, почках, желчных и мочевых протоках, кровеносных сосудах.

Несколько неожиданно, но и пчелы своей жизни сталкиваются с проблемой кристаллов. За их короткую и динамичную жпзнь вряд ли в их телах успевают накопиться те вещества, которые каменными болезнями омрачают наши зрелые годы. Им не очень-то досаждают и наиболее распространенные в нашем мире - кристаллы воды в виде льдинок, намерзающих на внутренних стенках улья в зимнее время; при первом весеннем потеплении они стаивают либо от обретших силу солнечных лучей, либо от тепла, которое вырабатывают, почуяв токи весны, сами пчелы.

Однако в гнезде пчел могут появиться не менее грозные пришельцы с кристаллическим ликом . Пчелам, как и больным людям, будет тогда уже не до эстетических эффектов, поскольку речь идет о кристаллизации меда.

Кристаллизация меда в сотах в зимнее время - серьезная угроза семье. Сам мед - многокомпонентная система, поэтому говорить о его кристаллизации можно лишь условно. Кристаллизуется в нем лишь из его двух основных Сахаров - глюкоза.

Небольшие молекулы глюкозы сравнительно легко укладываются в кристаллическую решетку, которая для самого вещества выгодна тем, что позволяет ему резко ограничить свои контакты с окружающей средой. Самоизоляция вещества в кристаллическую решетку помогает ему продлить свою вещественную жизнь, сберегая массу и форму.

Для живого организма, использующего раствор как часть среды обитания, эти эгоцентрические устремления отдельных веществ крайне неблагоприятны. Так, повреждение зимующих растений морозом происходит вследствие того, что внутриклеточная вода, кристаллизуясь, нарушает всю сложнейшую внутреннюю и внешнюю архитектонику клеток.

В меде также содержится до 20 процентов воды, но даже при резком и длительном охлаждении из-за высокой вязкости раствора и сильной гидратации содержащихся в нем молекул Сахаров она не выкристаллизовывается. Другое дело - молекулы глюкозы. На ее долю в меде приходится процентов. Образуя застывший молекулярный хоровод - кристаллическую решетку, глюкоза способна превратить всю ранее жидкую кормовую массу пчелиных ячеек в сплошь затвердевший продукт. Такой севший мед в сотах пчелам использовать трудно, и они, выбрав оставшийся между кристаллами сироп, представленный, в основном, менее склонной к кристаллизации фруктозой, сбрасывают кристаллы глюкозы на дно улья. Что может быть нетерпимее для пчел, столь склонных к экономии и рачительному сбору всего сладкого?

В пчелиной биотехнологии, где заранее расписаны все детали для получения любого продукта улья, предусмотрен ряд мер для предупреждения и этих нежелательных событий. Направлены они главным образом на предотвращение зарождения в медовых бочонках-ячеях центров кристаллизации.

Что для этого делается?

Пчелы, готовя соты к медовой страде, тщательно слизывают со стенок все следы прошлогоднего меда, которые опасны, поскольку могут содержать невидимые очаги столь нежелательной кристаллизации. Завершив технологический цикл превращения нектара в мед, пчелы кроме того заполняют ячейки не полностью, а лишь на три четверти их объема, после чего тщательно закрывают их сверху восковой крышечкой или, как еще иногда говорят пчеловоды, - забрусом. Одна из функций этой крышечки - надежно охранять верхний слой меда от подсыхания либо разжижения, поскольку и то, и другое может спровоцировать образование зон кристаллизации и ее зародышевых центров. Раз начавшись, она уже не остановится, пока все содержимое ячейки не заполнится густой массой.

В большинстве случаев пчелам удается удержать в жидком состоянии мед до весны следующего года.

О том, что эта задача не проста, знает каждый пчедовод: откачанный на медогонке центробежный мед, лишенный биотехнологического щита пчелиных хитростей, закристаллизовывается в рекордно короткие сроки - от нескольких дней до 1-2 месяцев. Это в то время, когда нетронутый мед в сотах из тех же ульев продолжает сохранять первозданную свежесть и прозрачность.

Почему же в таком случае мы говорим о проблеме кристаллов в пчелиной семье?

Дело в том, что из сотен видов растений, снабжающих пчел нектаром, есть такие, которые продуцируют его с повышенным содержанием глюкозы (подсолнечник, хлопчатник, сурепка, другие крестоцветные). Она и угрожает кристаллизацией. Если год для таких растений был благоприятным и семья собрала с них много нектара, обычные ухищрения пчелиных медоваров могут не помочь - мед вскоре закристаллизуется и в сотах.

Порой, хотя и значительно реже, возникает проблема от слишком хорошей жизни; например, в семье скапливаются запасы от прежних благодатных сезонов. Время есть время, и даже обработанный по правилам мед, тщательно укрытый под восковыми крышечками, рапо или поздно закристаллизуется.

Если семья с закристаллизовавшимся медом в своих сотовых храпилищах дожила до весны, беда не велика. Подняв температуру в улье до 35-36 градусов, пчелы обретают способность активно влиять на химические процессы. Обнаруженные в ячейках твердые частицы глюкозы они уже не сбрасывают на пол, а растворяют в своих водянистых секретах, доводят раствор до уровня требований их ГОСТа и возвращают па хранение вещество, вознамерившееся было отделиться от общей судьбы других сахаристых веществ в надежном убежище - кристаллической решетке. Пчелы, обретя способность к терморегуляции воздушной среды улья, смогли противостоять очень серьезной силе - влечению вещества к кристаллизации.

Итак, истоки упорядоченного, гармонического расположения строительных блоков природы, если отвлечься от отрицательных последствий их проявления, несут в себе уже мельчайшие частицы материального мира - атомы и молекулы. Открытие этого позволяет подойти к исследованию законов прекрасного на... молекулярном уровне! В обычной жизни с проявлением такой упорядоченности микромира мы сталкиваемся лишь тогда, когда он предстает перед нами в формах, воспринимаемых нашими органами чувств. Это уводит нас от истоков первичной гармонии, которую уже несут в себе мельчайшие частицы материи. Большое сообщество микротел - молекул, собравшись вместе с макротело - кристалл, уже заявляют пашим органам зрения о своем безусловном совершенстве. Вспомним, как гармонические колебания макротела - струны - через посредника - воздушную среду - сообщают приятные вибрации нашему слуху, и мы слышим музыку. Так же могут быть возбуждены и наши органы обоняния и вкуса, если на их воспринимающие участки - рецепторы - воздействует достаточно KQH центрированный поток вещества.

Вещество открывает многие свои тайны, если следить за событиями, предшествующими его появлению перед нашими- органами чувств в полном блеске своей кристаллической формы. Хотя укладка молекул в кристаллическую решетку идет в соответствии с их внутренней физической природой (строением электронных оболочек, энергетическим состоянием и т. д.), человек здесь отнюдь не бессилен и может активно влиять на события извне. Результат бывает очень эффективным - полное изменение лика вещества. Однако произойдет это в том случае, если само вещество кристаллизуется в нескольких формах.

Что делает химик? Он вносит в перенасыщенный раствор накануне его родов затравку - щепотку кристаллов нужной формы. Возникший микроочаг упорядоченности и есть элементарный код: он создает вполне определенный силовой каркас в жидкости, который и будут улавливать молекулы, созревшие для кристаллизации, в желательную для человека форму.

Некоторые вещества, например вода, способны образовывать различные кристаллические узоры. Именно поэтому природа, впадая в ежегодный зимний сон, ткет для себя столь изысканные покрывала из изменчивых по форме снежинок и кристаллов льда.

Пчеловоды-промышленники, как правило, мало знакомы с успехами современной кристаллохимии, но они эмпирическим путем выявили условия, благоприятствующие кристаллизации. Обретенным знанием они стали пользоваться для удовлетворения утончающихся вкусов потребителей. В некоторых странах (Австралия, США, ФРГ) покупатели склонны приобретать меда, имеющие мелкокристаллическую или салообразную садку. Законы рынка неукоснительны для производителя, и пчеловод, чтобы получить конкурентоспособный продукт, поступает следующим образом: вносит в свежеоткачанный мед до 10 процентов ранее собранного и успевшего закристаллизоваться, после чего образовавшуюся массу тщательно размешивает. Очаги кристаллизации быстро разрастаются. За 4-5 дней они притянут из медовой массы большинство молекул глюкозы, располагая их в стройные порядки твердого тела. Поскольку таких очагов кристаллизации пчеловод создал множество, отдельные кристаллы, конкурируя друг с другом за включение свободных молекул глюкозы в свою решетку, вскоре обнаруживают вблизи себя присутствие другого собирателя молекул и, таким образом, не успевают разрастись до крупных размеров. Вся масса благодаря этому приобретает желанную для потребителя мелкокристаллическую консистенцию.

Можно влиять на раствор, в котором таится вещество, способное выпасть в виде кристаллов, и другими путями: теплом, давлением. Химики, овладев этими приемами, отнеслись к эстетическим устремлениям представителей микромира вполне рациональным образом, напомнив нам действия садовода по отбору и выращиванию цветов.

Эти кудесники вещества изучили его пристрастия к той или иной форме и, отобрав из них наиболее привлекательные, соревнуются теперь со стихийными формообразующими силами самой природы. В отблески-вающих таинствениыми отсветами растворах, тщательно охраняемых от всякого сотрясения и контакта с окружающим миром, при высоких, либо низких температурах и огромных давлениях они выращивают свои минеральные цветы - кристаллы алмаза, рубина, сапфира, граната и множество других драгоценных и полудрагоценных камней. Направляя атомы в один тип кристаллической решетки, они способны получить самого короля твердости - алмаз, другой тип решетки дает его антипод - самый мягкий минерал графит. Осуществляя подобные комбинации, человек способен превратить свою химическую кухню в истинную колыбель прекрасного .

Так, познание законов самоорганизации вещества позволяет нам проникнуть в природу прекрасного и воспользоваться плодами знаний для улучшения и украшения жизни человека. Эти же законы приближают нас к пониманию процессов, происходящих на более высоких и сложных уровнях эволюции - в живой природе.