Современные материалы

Синтетические материалы. Из материалов изготавливаются различные изделия: устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и др. Для каждого изделия нужны свои материалы с вполне определенными свойствами, к которым предъявляются высокие требования.

В глубокой древности широко применялся преимущественно один вид материала — камень. История донесла до нас каменные топоры, наконечники для стрел, пещеры для жилья. Несколько тысячелетий назад удалось выплавить железо. Появились железные изделия: оружие, предметы быта, несложные приспособления для обработки земли. Сейчас железо уступает другим материалам и прежде всего полимерам. Разнообразная одежда из полиэфира, полиэтиленовая посуда, ковры из полипропилена, мебель из полистирола, шины из полиизопрена и т.п. — все это производится из полимеров. Многие детали современных самолетов изготавливаются из композиционных полимерных материалов. Один из них — кевлар — по важному показателю прочность/масса превосходит даже самую высокопрочную сталь.

Пластмассы — это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные принимать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера пластмассы содержат наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Пластмассы различаются по эксплуатационным свойствам (например, антифрикционные, атмосферо-, термо- или огнестойкие), виду наполнителя (стеклопластики, графитопласты и др.), а также по типу полимера (аминопласты, белковые пластики и т.п.). В зависимости от характера превращений, происходящих в полимере при формовании изделий, пластмассы подразделяются на термопласты (важнейшие из них создаются на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола) и реактопласты (наиболее крупнотоннажный вид из них — фенопласты). Основные методы переработки термопластов — литье под давлением, вакуумформование, пневмоформование и др. Реактопласты формуются прессованием и литьем под давлением.

Прошло более ста лет с момента появления на свет первого органиче
ского материала — целлулоида. Сегодня многообразие синтетических ве
ществ настолько велико, что вряд ли возможно их перечислить. Когда
16* 243

идет речь об искусственных материалах, многие имеют в виду прежде всего пластмассы, вещества, созданные в искусственных условиях. В 1980 г. американские ученые впервые обнаружили природную полиэфирную пластмассу в гнездах пчел, живущих в земле.

Массовое производство пластмасс началось во второй половине XX в. В 1900 г. мировое производство пластмасс составило около 20 тыс. т, а в 1970 г. — уже 38 млн. т. В настоящее время объем производства пластмасс сравним с объемом выпуска стали — сотни миллионов

тонн в год. Около 2/3 объема мирового производства полимерных материалов составляют полиэтилен, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полиэфирные смолы, полиуретан, аминопласты, фенопласты, поликрилаты, полиформальдегид, поликарбонаты, фторполиме-ры, силиконы, полиамиды, эпоксидные смолы.

Наиболее перспективны материалы с высокой термостойкостью: по-лифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Они выдерживают относительно высокую температуру — 200—450°С и используются в авиационной и ракетной технике.

Полимерные материалы широко применяются в строительной индустрии для изготовления рам, облицовочных плит, кровли и т.д. За более чем столетнюю историю развития автомобилестроения пластмассы постепенно вытесняют металл. Предполагается, что в ближайшем десятилетии на изготовление одного легкового автомобиля потребуется сотни килограммов пластмасс: полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена и др., тогда как в 1965 г. на один легковой автомобиль приходилось лишь 15 кг полимерных материалов. Уже производят легковые автомобили с полностью пластмассовым кузовом и со многими другими деталями, даже с теми, которые несут высокую механическую нагрузку.

Эластомеры — еще одна разновидность полимерных материалов. К ним относится прежде всего каучук, из которого производится широко распространенная резина, обладающая отличительным свойством — эластичностью. Такое свойство объединяет многие эластичные материалы в одну группу эластомеров. Долгое время был известен только один вид эластичного материала — природный каучук. Он до сих пор добывается из каучукового дерева — бразильской гевеи — таким же способом, как и смола в хвойных лесах, — путем подсечки.

Химия завладела каучуком еще в первой половине XIX в. — в 1841 г. американский изобретатель Гудьир предложил способ вулканизации. Хрупкий при низкой температуре и липкий при нагревании сырой каучук при вулканизации переходит в эластичное состояние. При этом его мак-ромолекулярные цепи образуют сетчатую структуру, соединяясь мостиками из атомов серы. В 1932 г. под руководством нашего соотечественника, выдающегося химика академика С.В. Лебедева (1874 — 1934) разра- 244

ботан первый в мире промышленный способ получения синтетического каучука.

Статистика мирового производства каучука начинается с 1850 г., когда его было добыто около 1500 т. В 1900 г. бразильские леса давали уже 53 900 т каучука. В том же году появился каучук из деревьев, выращенных на плантациях. В последние годы большая часть натурального каучука добывается на крупных плантациях Индокитая. В 1970 г. потребление каучука в мире составило 7, 8 млн. т, доля натурального каучука в котором составила около 38%.

Натуральный каучук имеет сравнительно невысокие термостойкость и маслостойкость, подвержен старению. Современные технологии позволяют получить синтетический каучук с лучшими свойствами. К настоящему времени разработано более 10 видов синтетических каучуков и не менее 500 их различных модификаций. Превосходным качеством отличается силиконовый каучук. Он менее эластичен, чем натуральный, но его свойства в интервале температур от - 55 до 180 °С мало зависят от температуры, к тому же он физиологически безвреден. Гомогенные и ячеистые полиуретановые эластомеры обладают высокой износостойкостью, химической стойкостью и не подвергаются быстрому старению. Сфера применения эластомеров весьма разнообразна — от машиностроения до обувной промышленности, но все же значительная их доля идет на изготовление шин, потребность в которых с ростом потока автомобилей постоянно возрастает.

Производя синтетические каучуки, химическая промышленность восполняет дефицит природного сырья — каучука. Точно так же производство синтетической кожи сохраняет сырье животного происхождения. По своим свойствам и качеству многие разновидности современной синтетической кожи мало отличаются от натуральной кожи высшего качества.

Синтетические ткани появились во второй половине XX в., хотя внедрение химических технологий в текстильную промышленность началось сравнительно давно — около 200 лет назад, когда с помощью соды и хлорной извести удалось существенно улучшить качество стирки и отбеливания. Например, с применением хлорной извести продолжительность отбеливания хлопковой ткани сократилась с трех месяцев (при луговой отбелке) до шести часов. Во второй половине XIX в. широко внедрялись синтетические органические красители тканей. С начала XX в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. Первое чисто синтетическое волокно — нейлон — создано более 60 лет назад, а затем появились акрил, полиамид, полиэфирные волокна. Однако потребители сравнительно быстро оценили как достоинства, так и недостатки синтетических тканей. Немало време-

ни прошло, прежде чем удалось понять и преодолеть различия между природными и синтетическими волокнами. Теперь химия легко воспроизводит лучшие свойства льна, хлопка, шерсти, а естественные материалы давно уже стали предметом многократной химической обработки, придающей, например, хлопку упругость или делающей льняную ткань не столь мнущейся.

Новшества сегодняшнего дня затронули и геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нить возможно тоньше. Тончайшие синтетические нити ткани хорошо видны под микроскопом (рис. 6.11).

Излюбленный материал сегодняшних модельеров — эластик — удобен не только в спортивной одежде, но и в повседневных костюмах. Существует ткань, в основе которой размещены мельчайшие стеклянные шарики, отражающие свет. Одежда из нее — хорошая защита для тех, кто ночью находится на улице, например для регулировщиков автотранспортного движения.

Одна из разновидностей синтетического материала — кевлар. Он в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для пошива пуленепробиваемых курток. Весьма оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды — в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань (рис. 6.12). Капсулы содержат парафины. При нагревании они плавятся, отбирая тепло, а при охлаждении затвердевают, выделяя тепло.

Производство многообразных синтетических материалов с удивительными свойствами свидетельствует о чрезвычайно высоком уровне современных химических технологий.

Традиционные материалы с новыми свойствами. К традиционным материалам относится древесина. Из нее вырабатывается целлюлоза — один из основных видов сырья для производства бумаги и синтетических материалов. Древесина, кроме того, широко применяется в строительстве и для изготовления мебели. 246

В отличие от ископаемого горючего сырья древесина сравнительно быстро восстанавливается. В этой связи и с учетом того, что цены на ископаемое органическое сырье постоянно растут, следует ожидать, что основная доля производства пластмасс, эластомеров и синтетических волокон будет базироваться на переработке древесины в промежуточное химическое сырье — этилен, бутадиен и фенол. А это означает, что древесина станет важным сырьем для получения разнообразной химической продукции: фурфурола, фенола, текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов и т.д. Например, из 100 кг древесины можно изготовить примерно 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена. Древесина — не единственный вид органического сырья. Другие разновидности биомассы — солому, камыш и т.п. — можно превратить в те же ценные продукты, которые производятся из древесины. Микробиологи обнаружили, что грибы, вызывающие белую гниль древесины, могут приносить пользу. Их способность видоизменять некоторые компоненты древесины положена в основу новой технологии изготовления стройматериалов: после обработки грибом опилки, стружки и другие отходы склеивают в монолитную массу.

Одна из важнейших областей применения древесины — целлюлозно-бумажная промышленность. В последнее время наметились изменения в технологии производства бумаги, связанные с внедрением заменителя бумаги — синтетического материала. Введение полимеров в волокнистую массу повышает прочность, эластичность бумаги, ее устойчивость к деформации и т. д. При этом повышается качество многоцветной печати, что особенно важно при печатании географических карт, репродукций картин и т.п.

С развитием компьютерной техники бумага перестает быть основным носителем информации. Однако возрастание объемов печатной продукции (книг, газет, журналов и т.п.) и рост производства промышленной продукции, нуждающейся в упаковочных материалах, неизбежно приводит к ежегодному приросту производства бумаги примерно на 5%. За последнее десятилетие, например, в Великобритании потребление бумаги возросло на 65%. Предполагается, что в этой стране за период

1905 — 2005 гг. производство бумаги увеличится в два раза. Этот пример показывает, что потребность в бумаге и, следовательно, в древесине — важнейшем природном сырье — постоянно возрастает.

Стекло, как и древесину, принято считать традиционным материалом. Еще в V тысячелетии до н.э. в Древнем Египте выплавлялись первые стеклоподобные вещества. Стеклянная посуда изготавливалась еще в XV в. до н.э. Вместе с тем стекло долгое время не находило широкого применения, поскольку ни броню, ни каску, ни даже ручную дубинку из столь хрупкого материала изготовить нельзя.

Систематические исследования свойств стекла начались в 20 — 30-е годы XX в., хотя с древних времен выплавлялись стекла более 800 различных составов, а из них производилось около 43 тыс. разновидностей изделий. Как и прежде, стекло обладает одним существенным недостатком — хрупкостью. Создать стекло нехрупким — одна из труднейших задач даже с учетом возможностей современных технологий. Тем не менее во второй половине XX в. удалось синтезировать стеклокерамиче-ский материал ситалл, прозрачный или похожий на фарфор. Он выдерживает высокотемпературный перепад — до 1000°С. Его можно обрабатывать как обычный металл: обтачивать, фрезеровать и т.п. Благодаря совокупности свойств — высокая прочность, твердость, химическая и термическая стойкость, низкий температурный коэффициент расширения — ситаллы применяются в автомобилестроении, электротехнике, химическом машиностроении и т.п.

Обычное стекло имеет прочность на изгиб около 50 Н/мм², а термически закаленное стекло — примерно 140 Н/мм². При дополнительной химической обработке этот показатель увеличивается до 700 — 2000 Н/мм². Высокой прочностью обладают композиционные материалы, включающие химически обработанные стекла со слоями пластика и способные заменить металл. Многослойное бронестекло толщиной 20—40 мм не пробивается пулей при выстреле из пистолета.

Иногда для облицовки зданий и для окон используются цветные стекла. Они поглощают инфракрасное излучение, благодаря чему поддерживается нормальный микроклимат в помещении: летом задерживаются лучи палящего солнца, а зимой сохраняется тепло. Широко применяются стекловолокнистые материалы для армирования, отделки, изоляции, фильтрации и т.п. Оптическое стекловолокно — весьма перспективное средство для передачи большого объема информации. Хорошо известны изоляционные свойства стекла. В последнее время удалось синтезировать и полупроводниковые стекла. Низкоплавкая эмаль из стекла (570 °С) — надежное покрытие для алюминия, обладающее высокой коррозионной стойкостью, эластичностью и ударопрочностью. Эмали можно придать различные цвета.

Область применения разнообразной стеклопродукции постоянно расширяется, а это означает, что уже сегодня стекло становится универсальным материалом. Современное стекло — традиционный материал, обладающий новыми необычными свойствами.

Силикатные и керамические материалы также относят к традиционным. Развивающаяся строительная индустрия потребляет все больший объем силикатных материалов, среди которых лидирует бетон. Его производство в мире составляет миллиарды тонн в год. Самая дорогая составляющая бетона — цемент. Прочность на сжатие обычного бетона равна 5 — 60 Н/мм², а после термической активации цемента — не менее 100 Н/мм². Освоено производство огнеупорного бетона, выдерживающего температуру до 1800°С. Из смеси извести и кварцевого песка или золы угольных фильтров производится силикатный бетон. Его прочность превышает прочность бетона на основе цемента и достигает 350 Н/мм². Бетон с внедренным алюминиевым порошком в качестве расширительной добавки легок и поддается обработке.

Налажено производство различных модификаций легкого бетона с внедренными полимерами. Он отличается высокими теплоизоляционными свойствами и прочностью, малым влагопоглощением и легко поддается обработке различными способами. При введении асбеста в цементный раствор получается асбестоцемент — строительный материал, весьма стойкий к изменениям погодных условий.

Широкое применение находят керамические материалы. Из них изготавливают более 60 тыс. различных изделий — от миниатюрных фер-ритовых сердечников для микроэлектронных устройств до гигантских изоляторов для высоковольтных установок. Обычные керамические материалы (фарфор, фаянс, каменная керамика) получают при высокой температуре из смеси каолина (глины), кварца и полевого шпата. Из керамики производят строительные блоки, пористый и пустотелый кирпич, закаленный кирпич (например, для дымовых труб) и т.п. К керамике относятся и бессиликатные композиционные материалы из различных оксидов, карбидов, силицидов, боридов и нитридов. Для них характерны высокие термическая и коррозийная стойкость и прочность; разрушаются они при температуре около 1600 °С. Высокопрочные керамические материалы выдерживают температуру выше 1200 °С. В тиглях из такого материала можно плавить медь, алюминий и т.д.

Металлокерамические композиционные материалы с высокими твердостью и термостойкостью служат для изготовления камер сгорания для космических ракет, деталей для металлорежущих инструментов и т.п. Такие материалы производятся методом порошковой металлургии из металлов (железа, хрома, ванадия, молибдена и др.) и оксидов металлов (преимущественно Аl₂О₃), карбидов, боридов, нитридов или силицидов.

В металлокерамике сочетаются свойства керамики и металлов. В начале 90-х годов XX в. синтезирован керамический ртутьсодержащий металлооксид-ный материал, обладающий удивительным свойством — высокотемпературной сверхпроводимостью (рис. 6.13). При температуре около 170 К он переходит в сверхпроводящее состояние.

Вне всякого сомнения, в результате исследования структуры и свойств новых керамических материалов будут найдены способы синтеза композитов с ранее неизвестными свойствами.

Средства сохранения материалов позволяют увеличивать срок их службы. Важно не только произвести высококачественный материал, но и сохранить его. Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала: происходит его преждевременное старение, разрушение. К существенному разрушению металлов, особенно не цветных, приводит их коррозия. При длительном воздействии влаги древесина подвергается гниению и т.д. Поэтому для сохранения свойств материа-

лов и изделий из них применяются различные средства защиты. Например, слой краски защищает металлические изделия от коррозии, а изделия из древесины от гниения.

По некоторым оценкам, ежегодные потери железа в результате коррозии составляют почти 15% объема мировой продукции стали, а это означает, что примерно каждая седьмая домна на земном шаре работает впустую, загрязняя окружающую среду. Самая распространенная мера защиты от коррозии — окраска, т.е. нанесение защитного слоя масляной или синтетической краски. Широко применяются краски на основе различных полимеров. Обычное покрытие кажется эффективным, когда краска наносится на чистую поверхность. Однако процесс очистки поверхности — трудоемкая операция, поэтому ведется поиск защитных материалов для нанесения на поврежденную коррозией поверхность без предварительной ее очистки. Один из видов таких материалов уже синтезирован в виде краски, содержащей цианамид цинка, при реагировании которого с 250

ржавчиной образуется цианамид железа, надежно защищающий поверхность от коррозии.

Антикоррозийными свойствами обладают нержавеющие стали, содержащие такие дорогостоящие металлы, как хром или никель. Гораздо дешевле обходится напыление на обычную сталь слоя алюминия или хрома небольшой толщины. Один из перспективных способов защиты от коррозии — формирование слоя своеобразной ржавчины, предохраняющего металл от дальнейшего разрушения. Обычная ржавчина, состоящая из рыхлого слоя оксида железа, способствует дальнейшему разрушению материала. Защитный слой ржавчины образуется на поверхности деталей из стали, содержащей, например, 0, 7 — 0, 15% фосфора, 0, 25 — 0, 55% меди, 0, 5 — 1, 25% хрома и 0, 65% никеля. Разработаны десятки разновидностей подобных сталей, обладающих удивительным свойством самозащиты. Их можно формовать и сваривать, а стоят они всего на 10 — 30% дороже обычных сталей. Из них изготавливаются вагоны, цистерны, трубопроводы, строительные конструкции и т.д. Если средства сохранения материалов оказываются не эффективными, их заменяют.

Замена материалов производится в двух случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал-заменитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам-заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы. Более 1/3 мирового потребления пластмасс приходится на промышленность. Тем не менее, по некоторым оценкам, только 8—15% стали заменяется пластмассами (преимущественно при изготовлении трубопроводов), бетоном и другими материалами. Сталь обладает вполне приемлемыми стоимостью и прочностью, что и сдерживает быстрое и массовое ее вытеснение пластмассами и другими материалами. Не менее сложна проблема замены цветных металлов. Во многих случаях идут по пути экономного, рационального их потребления.

Преимущества пластмасс вполне очевидны: 1 т пластмасс в машиностроении экономит 5 — 6 т металлов. На изготовление пластмассовых изделий требуется всего 12 — 33% рабочего времени, необходимого для изготовления тех же изделий из металла. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и т.п., сокращается число операций обработки и повышается производительность труда на 300 — 1000%. При обработке металлических изделий материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс — на 90 — 95%.

Замена другого широко применяемого материала — древесины — началась еще в первой половине XX в. Прежде всего появилась фанера, а позднее — древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В

последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами, особенно в производстве игрушек, предметов быта, лодок, строительных конструкций и т.п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.

В дальнейшем пластмассы заменят композиционные материалы, разработке которых уделяется большое внимание.

6.10. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сверхпрочные материалы. Ассортимент материалов различного назначения постоянно расширяется. В последние десятилетия создана естественно-научная база для разработки принципиально новых материалов с уникальными свойствами. В разработке сверхпрочных материалов достигнуты определенные успехи. Например, сталь, содержащая 18% никеля, 8% кобальта и 3 — 5% молибдена, отличается высокой прочностью — отношение прочности к плотности для нее в несколько раз больше, чем для некоторых алюминиевых и титановых сплавов. Преимущественная область ее применения — авиационная и ракетная техника. Кор-розионностойкий сплав (62 — 74% кобальта, 20 — 30% хрома, 6 — 8% алюминия) не разрушается в атмосфере кислорода при температуре вплоть до 1050 °С, а при более высокой температуре даже агрессивная сернокислая среда не оказывает на него заметного воздействия.

Продолжается поиск новых высокопрочных термостойких алюминиевых сплавов для смены дорогостоящих титановых сплавов. Развивается порошковая металлургия: прессование металлических и других порошков — один из перспективных способов повышения прочности и улучшения качества прессуемых материалов.

Большое внимание уделяется разработке композиционных материалов (композитов) — материалов, состоящих из компонентов с различными свойствами. В таких материалах содержится основа с распределенными усиливающими элементами: волокнами и частицами из стекла, металла, дерева, пластмассы и др. Большое число возможных комбинаций компонентов позволяет получить разнообразные композиционные материалы. Способ изготовления композитов известен давно. Еще в 600 г. до н.э. в Вавилоне была построена башня высотой 90 м из глиняных блоков в которых глина была смешана с козьей шерстью. Подобный способ лежит в основе изготовления современных древесных плит, железобетона и других материалов. При оптимальном комбинировании веществ с разными свойствами существенно повышаются прочность и качество композитов. 252

Целенаправленное исследование свойств композитов началось в 60-е годы XX в., когда новые волокнистые неорганические материалы из бора, карбида кремния, графита, оксида алюминия и т.п. стали сочетать с органическими или металлическими. Некоторые волокнистые материалы имеют структуру нитевидных кристаллов, одна из разновидностей которых показана на рис. 6.14. Композиционные материалы с волокнистой структурой обладают удивительной прочностью. Например, с помощью каната толщиной 3 см из борсодержащих волокон можно буксировать полностью нагружен-

ный четырехмоторный реактивный самолет. Графитовые волокна при 1500 °С прочнее стальных волокон при комнатной температуре. Волокнистые материалы из бора, графита и монокристаллического сапфира (Аl₂Оз) используются преимущественно в космической технике.

При комбинировании поли- и монокристаллических нитей с полимерными матрицами (полиэфирами, фенольными и эпоксидными смолами) получаются материалы, которые по прочности не уступают стали, но легче ее в 4 — 5 раз. Благодаря введению металлических матриц из никеля, кобальта, железа, алюминия, хрома и их сплавов повышаются прочность, эластичность и вязкость композитов. Например, алюминий, усиленный боридным волокном, при температуре 500 °С имеет такую же прочность, как сталь при комнатной температуре. Композиционный материал из монокристаллических нитей с разнообразными матрицами имеет предел прочности на разрыв более 700 Н/мм².

Материал будущего должен быть не только сверхпрочным, но и стойким при длительном воздействии агрессивной среды.

Материалы, содержащие редкие металлы. Названия «редкие металлы», «редкие элементы», «редкоземельные элементы» не совсем удачны — их содержание в земной коре в среднем сопоставимо или даже выше, чем содержание большинства широко используемых металлов. Например, таких редких металлов, как скандий, церий, лантан, литий, иттрий, ниобий, галлий, в земной коре содержится примерно столько же, сколько хрома, цинка, никеля, меди и свинца, а стронция, циркония, рубидия — гораздо больше. Редкие металлы находятся на вершине пирамиды распространенности химических элементов в поверхностном слое зем-

ной коры (рис. 6.15). Долгое время не находившие широкого применения, они сегодня оказались на острие передовых технологий производства современных перспективных материалов. С их применением связаны новые области промышленности, науки и техники: гелиоэнергетика, инфракрасная оптика, оптоэлектроника, лазеры, компьютеры и т. п.

Приведем примеры практического применения материалов, содержащих редкие металлы. Низколегированные стали, в состав которых входит всего 0, 03 — 0, 07 % ниобия и 0, 01 —0, 1 % ванадия, позволяют на 30 — 40 % снизить массу металлических конструкций мостов и многоэтажных зданий, газо- и нефтепроводов, бурильного оборудования и т.п. При этом срок службы конструкций увеличивается в 2 — 3 раза. Сверхпроводящие материалы на основе ниобия используются в поездах на воздушной подушке, развивающих скорость 577 км/ч. В современном легковом автомобиле многие детали выполнены из стали с ниобием и ванадием, медно-берилловых сплавов и сплавов с цирконием и иттрием, что позволило уменьшить массу автомобиля примерно в 1, 5 раза. Разраба-

тываются электромобили с литиевыми аккумуляторами, на водородном топливе с нитридом лантана и др. Производятся топливные элементы на основе оксидов циркония и иттрия, с КПД до 65%. С применением осветительных ламп с люминофорами, содержащими иттрий, европий, тербий, церий, расход электроэнергии на освещение снижается в 2 — 3 раза. Арсенид галлия используется в производстве фотоэлементов, интегральных схем и т.п. Применение редкоземельных материалов при крекинге нефти позволяет снизить потребление дорогостоящей платины и увеличить на 15% выход высокооктанового бензина. Иттрий способен резко увеличить электропроводность алюминиевого провода и прочность новых керамических конструкционных материалов. Совсем недавно об-254

наружилось необычное свойство редкоземельных металлов — при их внесении в почву на 5 — 10% повышается урожай сельскохозяйственных культур: риса, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, хлопка, фруктов и др. Потребление редких металлов быстро растет. Например, в Японии за период 1960—1985 гг. оно возросло в 10 — 25 раз.

Результаты исследований показывают, что ископаемое углеводородное сырье содержит промышленно ценные количества иттрия, лантани-дов, ванадия и других редких металлов, стоимость которых соизмерима со стоимостью самого сырья. Например, в татарской нефти содержится до 700 г/т ванадия, который является ценным, но и весьма токсичным веществом. При извлечении его из нефти решаются одновременно две задачи: добывается нужный для многих целей металл и предотвращается загрязнение окружающей среды.

Некоторые специалисты убеждены: редкие металлы — будущее новой техники. На пороге тысячелетий современная цивилизация переходит из железного века в новый — век легких и надежных материалов, содержащих редкие металлы.

Термостойкие материалы. Повышение скорости химических процессов и эффективности работы многих аппаратов, двигателей и т.п. достигается при высокой температуре, поэтому создание термостойких материалов — одна из важнейших задач развития современных химических технологий и машиностроения.

К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов: имплантация ионов, плазменный синтез, плавление и кристаллизация в отсутствие гравитации, напыление на поликристаллические и аморфные поверхности и др. Для изменения локальных химических и физических свойств материалов применяется лазерная технология. Сфокусированный луч мощного импульсного лазера способен кратковременно (в течение 100 нс) создавать чрезвычайно высокую локальную температуру — вплоть до 10 000 К. В точке фокусировки лазерного луча изменяются физические и химические свойства поверхностного слоя.

С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния Si₃N₄ и силицид вольфрама WSi₂ — термостойкие материалы для микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходными электроизолирующими свойствами даже при небольшой толщине слоя — менее 0, 2 мкм. Силицид вольфрама отличается весьма малым электрическим сопротивлением. Из этих материалов напыляются тонкопленочные элементы интегральных схем.

Представляет практический интерес способ синтеза новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Этот способ заключается в от-

ливке кремнийсодержащего полимера в форму с последующим превращением его в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния. Современные графитоволокнистые материалы способны выдерживать температуру до 2000 °С. Конечно, это не предел. Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.

Нитинол. Нитинол представляет собой никель-титановый сплав (55% Ti, 45% Ni), обладающий необычным свойством — сохранять первоначальную форму. Поэтому иногда его называют запоминающим металлом. Такое свойство нитинола сохраняется даже после его холодного формования и термической обработки. Для него характерны сверх- и термоупругость, высокая коррозионная и эрозионная стойкость.

Вначале нитиноловые изделия служили преимущественно для военных целей — с их помощью в боевых самолетах соединяли различные трубопроводы, доступ к которым ограничен. Соединение производилось муфтой, свободно надевавшейся на концы соединяемых трубок. После пропускания электрического тока муфту нагревали примерно на 30 °С, после чего она, охлаждаясь, принимала первоначальную форму с меньшим диаметром, плотно прилегая к концам трубок. Уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалось собрать в космосе при корректировке орбиты станции «Мир».

Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные кости. Благодаря памяти формы нитиноловая муфта лучше фиксируется в десне, предохраняя места сочленений от перегрузок. Нитинол, обладая способностью упруго деформироваться на 8—10%, плавно воспринимает нагрузку, подобно живому зубу, и в результате меньше травмирует десну. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного той или иной болезнью сосуда в организме человека. При внедрении нитиноловых деталей происходит более эффективное заживление ран — ведь помимо замечательных механических свойств нитинол еще и биологически инертен.

Вне всякого сомнения, нитинол найдет более широкое применение: при ремонте газо-, нефте- и газопроводов, а также при решении других задач.

Жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы — это жидкости, обладающие, как и кристаллы, анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике (в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т. д.). 256

Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественно упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Оно обладает текучестью, как жидкость. Кристаллическая упорядоченность молекул жидких кристаллов подтверждается их оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов: немати-ческие, смектические и холестерические (рис. 6.16). Наименьшую упорядоченность имеют нематические жидкие кристаллы. Молекулы их параллельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произвольные расстояния, т.е. длинные, узкие и в то же время весьма жесткие молекулы выстраиваются подобно сплавляемым по реке бревнам (см. рис. 6.16, а). Более сложная форма молекул — в виде плоскостей, из которых образуется многослойная относительно упорядоченная структура, наблюдается в жидких смектических кристаллах (см. рис. 6.16, б). По структуре жидкие холестерические кристаллы похожи на нематические, но отличаются от них закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям (см. рис. 6.16, в). Шаг такой спиральной структуры сравнительно большой — несколько микрометров.

Под действием даже очень слабого электрического поля нарушается равновесие ориентированных молекул, при этом изменяются оптические свойства жидкокристаллического вещества: например, из прозрачного оно переходит в светонепроницаемое.

17-3290 257

Прогресс в создании новых жидкокристаллических материалов во многом зависит от успешного синтеза молекул сферической, стержне-или дискообразной формы. Одно из перспективных направлений в химии жидких кристаллов — формирование таких структур при синтезе полимеров.

Оптические материалы. Подобно тому, как в микроэлектронике транзисторы вытеснили электронные лампы, тончайшие кварцевые нити вытесняют медную проволоку многожильного кабеля. На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по светопроводящим волокнам.

Прогресс в развитии световолоконной индустрии во многом определился технологической возможностью изготовления высокопрочной кварцевой нити путем химической конденсации паровой фазы. Толщина полученной таким образом кварцевой нити со стеклянным покрытием составляет примерно 0, 1 толщины человеческого волоса. Совершенствование технологии изготовления кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи огромного объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение с успехом пользуются волоконно-оптической связью.

Современная химическая технология сыграла важную роль и при создании материалов для оптических устройств переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. Например, оптический переключатель срабатывает за одну миллионную миллионной доли секунды. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия. Органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойствами, чем ниобат лития, и являются весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.

Материалы диссоциации металлоорганических соединений. При термической диссоциации ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной твердой формы, обладающие уникальными свойствами. К металлоорганическим соединениям относятся:

— карбонилы: W(CO)₆, Mo(CO)₆, Fe(CO)₅, Ni(CO)₄; 258

— ацетилацетонаты металлов: Cu(C₅H₇O₂)₂, Pd(C₅H₇O₂)₂, Pt(C₅H₇O₂)₂,
Ru(C₅H₇O₂)₃;

— дикарбонилацетонат родия: Rh(C₅H₇O₂)₂ (CO)₂ и др.

Этим соединениям в газообразном состоянии присуща высокая летучесть. Они разлагаются при нагревании до 100— 150 °С. В результате термической диссоциации можно получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.

Высокодисперсные порошки состоят из частиц малых размеров (до 1 — 3 мкм) и используются для производства металлокерамики — композиций металлов с оксидами, нитридами, боридами, синтезируемых методом порошковой металлургии. Металлические порошки, например железа и никеля, обладающие магнитными свойствами, применяются в радиоэлектронике и электротехнике.

Металлические вискерсы — нитевидные кристаллы диаметром 0, 5—2, 0 мкм и длиной 5—50 мкм. Для них характерна высокая прочность, примерно в 10 раз превышающая прочность самых высококачественных сталей, высокая устойчивость к окислению и необычные магнитные свойства. Подобные кристаллы формируются на активных центрах подложки, где в парамагнитных кластерах образуется своеобразная ступенчатая монокристаллическая структура. Металлические вискерсы представляют практический интерес для синтеза новых композиционных материалов с металлической или пластмассовой матрицей.

Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света они приближаются к серебру. Беспористое тонкопленочное покрытие толщиной около 90 мкм надежно защищает металл от коррозии даже в самой агрессивной среде. Их коррозионная стойкость примерно в 5 раз выше, чем, например, гальванических покрытий.

Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металлорганических соединений в поры другого материала, где формируется ячеистая металлическая структура.

Металлизированные волокна и бумага обладают уникальными механическими, теплофизическими и электропроводными свойствами. В будущем они найдут широкое применение.

Тонкопленочные материалы для накопителей информации. Лю
бая современная вычислительная машина, в том числе и персональный
компьютер, содержит накопитель информации — запоминающее уст
ройство, способное накапливать и хранить большой объем информации.
17* 259

Большинство накопителей информации базируется на магнитной записи. В накопителях информации на подвижном магнитном носителе, где основное — это накопление информации, важным параметром является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя информации.

Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствования технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз: в 1998 г. она составляла примерно 12 Гбит/дюйм², а в 2000 г. — около 100 Гбит/дюйм².

Запись с высокой поверхностной плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала, например сплава CoPtCr с уникальной магнитной структурой. Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Такими свойствами обладают пер-маллоевые (железоникелевые) пленки, тонкопленочные материалы Fe₁₆N₂, многослойные пленки FeSi/NiFe и другие материалы.

Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется в магнитном поле. Такой элемент называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например пермаллоя. Относительное изменение электрического сопротивления пермаллоевого элемента в магнитном поле составляет около 2%. Эта величина, как показали результаты экспериментальных исследований последнего десятилетия, может достигать (например, в многослойных тонкопленочных материалах, однослойных гранулированных пленках и других материалах) десятков процентов, поэтому их называют материалами со сверхгигантским магнетосопротивлением.

Таким образом, с применением тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации. 260

Контрольные вопросы

1. Что является предметом изучения химии?

2. Какие задачи ставили алхимики?

3. Что такое химический элемент?

4. Сформулируйте закон кратных соотношений.

5. Дайте формулировку Периодического закона Менделеева.

6. Каковы темпы роста производства химической продукции?

7. В чем заключается специфика современных средств управления химическими про
цессами?

8. Что такое селективный синтез?

9. Каков молекулярный механизм фотосинтеза?

10. Охарактеризуйте основные виды катализа.

11. Чем отличается гетерогенный катализ от гомогенного?

12. Каким образом изучается химический состав космических объектов?

13. Каково процентное содержание химических элементов в верхнем слое земной
коры?

14. Охарактеризуйте природные запасы металлов.

15. Назовите основные виды неметаллического сырья.

16. Как используется вторичное сырье?

17. Каковы запасы органического сырья?

18. Какие операции включает переработка нефти?

19. Для каких целей используется уголь?

20. Каковы перспективы использования биомассы?

21. Как получаются сверхтяжелые трансурановые элементы?

22. Что такое остров стабильности?

23. Где применяют радиоактивные изотопы?

24. В чем заключаются преимущества плазмохимической технологии?

25. Что такое самораспространяющийся высокотемпературный синтез?

26. Почему с повышением давления повышается химическая активность реагентов?

27. Как выращивается искусственный алмаз?

28. Каковы перспективы применения фуллеренов?

29. Назовите основные виды пластмасс.

30. Как можно изменить свойства синтезируемого полимерного материала?

31. В чем заключается отличительное свойство эластомеров?

32. Какими свойствами обладают современные синтетические ткани?

33. Какое химическое сырье производят из древесины?

34. Охарактеризуйте новые виды стекла?

35. Как обеспечиваются новые свойства традиционных материалов?

36. Дайте краткую характеристику современным силикатным и керамическим материа
лам.

37. Каковы способы зашиты материалов?

38. Назовите основные виды перспективных материалов.

39. Как можно повысить прочность материалов?

40. Приведите примеры применения редких металлов.

41. Где применяются нитиноловые изделия?

42. Какими свойствами обладают материалы диссоциации металлорганических соеди
нений?

43. Что такое металлические вискерсы?

44. Какие материалы применяются для современных накопителей информации?

7. БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

7.1. ЗАРОЖДЕНИЕ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Удивительная красота природы, ее богатейший растительный и животный мир, гармония живой и неживой природы — все это наводит на мысль: живая материя неотделима от неживой, в недрах которой рождается все живое, постоянно пополняя ее, и, кажется, жизненный круговорот в природе существует изначально и вечно. Но все же, если отвлечься от поверхностного и эмоционального восприятия красоты и гармонии природы, можно прийти и к несколько другому выводу — все-таки в начале образовалась неживая материя, породившая живую, которая проявляется в самых разнообразных формах. Как это произошло и когда — пока трудно даже предполагать. По-видимому, переход неживой материи к живой произошел после возникновения двух основополагающих жизненных систем — системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ жизни. В современных организмах обе системы достигли высочайшего уровня совершенства. Одна и та же их физико-химическая природа для всех живых организмов независимо от их сложности дает основание полагать, что древо жизни произрастало из одного черенка.

Названные жизненные системы обусловливают основные признаки: рост и развитие, наследственность, изменчивость, саморегуляция и т.п. Поэтому, вне всякого сомнения, наличие системы обмена веществ и воспроизведения материальных основ жизни — главное отличительное свойство живых организмов.

Система обмена веществ поддерживает равновесное состояние живого организма. Такая сложная задача решается путем отбора и синтеза нужных организму веществ. При этом из организма выводятся все не усвоенные им вещества. Система обмена обеспечивает взаимосогласованные в высшей степени биохимические реакции синтеза и расщепления белков. Можно только завидовать тому, как экономно, филигранно и рационально осуществляет природа функцию обмена веществ во всех живых организмах — от простейшей клетки до высших организмов. Не случайно многие ученые с давних времен стремятся создать лабораторию живого организма.

Система воспроизведения материальных основ жизни содержит в закодированном виде полную информацию для развития и воспроизведения живого организма. Ключевая роль при этом принадлежит природному полимерному соединению — дезоксирибонуклеиновой кислоте, вы-

полняющей функции носителя генетической информации и рибонуклеиновой кислоте, которая служит для передачи информации от хромосом к местам синтеза белков.

Рассматривая вопрос о зарождении живых организмов, следует назвать еще одну важнейшую отличительную особенность, связанную с оптической активностью органических веществ живых организмов, т.е. способность поворачивать плоскость поляризации либо влево, либо вправо. Все белковые молекулы живых организмов поворачивают плоскость поляризации влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию — L-конфигурацию, а молекулы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) — только вправо, т.е. обладают правой, или D-конфигурацией. Этот факт тем более удивителен, что при синтезе органических соединений аналогичного состава в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число молекул с правой и левой конфигурацией, поэтому их плоскость поляризации не поворачивается. Смесь органических молекул обеих конфигураций называется рацематом. Предполагается, что в пред-жизненный период образования органических соединений существовал только рацемат.

Молекулы с одинаковым химическим составом могут отличаться своей пространственной структурой, как левая и правая рука. Свойство молекул не совмещаться со своим отображением в плоском зеркале называется хиральностью, которая является необходимым условием оптической активности. При зарождении жизни произошла сортировка молекул, появилась хиральность и белки с L-конфигурацией, а ДНК и РНК с D-конфигурацией. Для объяснения такого процесса французский ученый Луи Пастер (1822—1895), основоположник микробиологии, открывший оптическую активность вещества живых организмов, выдвинул гипотезу: зеркальная асимметрия живых систем обусловлена асимметрией Вселенной. Отдавая должное широте взглядов выдающегося ученого, еще в XIX в. связавшего жизнь на Земле и Вселенную в единое целое, следует отметить: асимметрия Вселенной нарушила бы симметрию любого органического вещества независимо от природы его происхождения. В развитие гипотезы Пастера выдвигались разные предположения, одно из которых сводилось к утверждению существования каких-то агентов, оказывающих асимметричное воздействие на молекулы живых организмов. Однако обнаружить такие агенты пока не удалось. Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного вида зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошел такой выбор, — до сих пор остается одной из самых больших загадок естествознания.

Несмотря на существенные различия между живой и неживой материей, их объединяет то, что в состав клеток живых организмов входят те же химические элементы, которые встречаются и в неживой природе.

Так, 75 — 85% массы клетки составляет вода, 10 — 20% — белки, 1 — 5% — жиры, 0, 2 — 2% — углеводы, 1 — 2% — нуклеиновые кислоты, 0, 1—0, 5% — низкомолекулярные органические соединения, 1 — 1, 5% — неорганические вещества. И все эти органические и неорганические соединения состоят из 80 химических элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Химических элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Это и есть одно из доказательств общности живой и неживой материи.

7.2. НОСИТЕЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Структура ДНК. Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры — нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности — дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Г), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄ и остаток фосфорной кислоты. В РНК вместо тимина содержится урацил (У), а вместо дезоксирибо-зы — рибоза (С₅Н₁₀О₅). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримиди-новых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

Молекулы ДНК находятся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокари-отных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль (рис. 7.1). Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентных связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяются в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклео-тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый — с цитозиновым (рис. 7.2). При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним, и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК — принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 — 3, 5 млрд. 264

ДНК — материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. genos — род, происхождение) — единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) — генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме — мутациям.

Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них — триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом распо-

ложенными нуклеотидами — триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство — код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения — образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга (рис. 7.3). Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

Кодирование генетической информации и репликация молекул ДНК — два важнейших взаимосвязанных процесса, составляющих основу развития и воспроизведения живых организмов.

Генетические свойства. Накануне открытия структуры молекулы ДНК известные биологи считали, что вторгнуться в наследственный аппарат, а тем более манипулировать с ним наука сможет лишь в XXI в. Однако, несмотря на сложность структуры и свойств наследственного материала, уже в конце XX в. родилась новая отрасль молекулярной биологии и генетики — генная инженерия, основная задача которой заключается в конструировании новых, не существующих в природе сочетаний генов. В последнее время эта отрасль называется генной технологией. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.

Проведенные в последнее время исследования показали, что наследственный материал не стареет. Генетический

анализ эффективен даже в том случае, когда молекулы ДНК принадлежат весьма далеким друг от друга поколениям. Сравнительно недавно была поставлена задача определить, кому принадлежат останки, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царской ли семье, расстрелянной в этом городе в 1918 г.? Или слепой случай собрал в одну могилу такое же число мужских и женских останков? Ведь в годы гражданской войны погибли миллионы... Образцы останков были отправлены в английский центр судебно-медицинской экспертизы — там уже накоплен большой опыт генного анализа. Из костной ткани исследователи выделили молекулы ДНК и провели анализ. С точностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, матери и их трех дочерей. Но может быть, это не царская семья? Предстояло доказать родство найденных останков с членами английского королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими родственными узами. Анализ подтвердил родство погибших с английским королевским домом, и служба судеб-

но-медицинской экспертизы сделала заключение: найденные под Екатеринбургом останки принадлежат царской семье Романовых.

Одно из чудес природы — неповторимая индивидуальность каждого живущего на Земле человека. «Не сравнивай — живущий несравним», — писал О. Мандельштам. Ученым долгое время не удавалось найти ключ к разгадке индивидуальности человека. Сейчас известно, что вся информация о строении и развитии живого организма «записана» в его геноме. Генетический код, например, окраски глаз человека отличается от генетического кода окраски глаз кролика, но у разных людей он имеет одинаковую структуру и состоит из одних и тех же последовательностей ДНК.

Ученые наблюдают огромное разнообразие белков, из которых построены живые организмы, и удивительное однообразие кодирующих их генов. Разумеется, в геноме каждого человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Долгий поиск увенчался успехом — в 1985 г. в геноме человека обнаружены особые сверхизменчивые участки — мини-сателлиты. Они оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить своеобразный «портрет» его ДНК, точнее, определенных генов. Как же выглядит этот «портрет»? Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев.

С помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более точную, чем это позволяют сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Причем ответ генной экспертизы исключает слово «возможно». Вероятность ошибки чрезвычайно мала. Таким эффективным методом экспертизы уже пользуются криминалисты. С помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и далекого прошлого. Генная экспертиза по установлению отцовства — наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того, что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпечаткам ДНК матери и ребенка в отсутствие отца, и наоборот, для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Обсуждаются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев. Таким образом, генетические свойства отражают индивидуальность живых организмов и вместе с тем характеризуют их наследственную связь.