Создавая искусственное волокно, ученые пользовались уже готовыми природными материалами, построенными из больших молекул: еловой или хлопковой целлюлозы, казеина, молока или белковых веществ — гороха и сои.
А почему бы не научиться самим строить такие же большие молекулы? Взять те же исходные элементы, из которых их строит природа: углерод, воду, азот, и создать в лаборатории новые волокнистые вещества. Приготовить из этих веществ прядильный раствор, продавить его через фильеры и получить полностью синтетическое волокно, называемое так в отличие от искусственного волокна, изготовленного из молекул, которые имеются в природе в готовом виде.
И в этом нет ничего невозможного. Нужно только окончательно отказаться от подражания шелкопрядам и овцам и идти своим путем, опережая и переделывая природу.
Химики уже давно научились соединять отдельные атомы в небольшие молекулы. Из атомов углерода, водорода и кислорода в большом количестве — в заводском масштабе — изготовляют молекулы газов ацетилена, метана и еще нескольких тысяч различных веществ.
Но для того чтобы создавать большие молекулы, надо научиться «сшивать» маленькие молекулы в бесконечно длинные цепочки.
Ученые пробовали овладеть искусством химической «кройки и шитья». Оказалось, что далеко не все органические соединения способны «сшиваться» в длинные цепочки.
Если атом углерода использовал все свои четыре крючочка-валентности для присоединения других атомов, то, очевидно, ему нечем будет сцепляться, все его связи, или валентности, как говорят химики, насыщены: Получилась (молекула, неспособная к сцеплению с другими молекулами. Соединения, в которых углерод не имеет свободных связей, называются насыщенными. Примером может служить молекула газа метана. В молекуле метана к атому углерода присоединены четыре атома водорода. Из молекул метана «сшить» цепочку нельзя.
Другое дело соединения углерода, где израсходованы не все крючочки-валентности. Например, в молекуле этилена содержатся два атома углерода и четыре водорода. Каждый из атомов углерода двумя крючочками присоединяет к себе два атома водорода, а двумя оставшимися валентностями они сцепляются между собой.
Соединения, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями, называются ненасыщенными, или непредельными. Вот эти-то двойные или тройные связи атомов углерода оказываются слабым местом в таких молекулах. Под влиянием внешних воздействий они легко рвутся. На концах молекул появляются свободные связи, которыми они и могут сцепляться друг с другом.
Подобно тому как на железнодорожной станции из отдельных вагонов формируется поезд, так и молекулы ненасыщенных соединений, используя свои «запасные» связи, соединяются между собой, образуя длинные цепочки.
Составление «молекулярных поездов», т. е. «сшивание» молекул, называют в химии полимеризацией. Этот термин образован из двух греческих слов — «поли» — множество и «мерос» — часть. Большие молекулы, составленные из многих частиц, называются полимерами, а маленькие молекулы исходных веществ — мономерами («монос» — единый).
Для того чтобы из молекул мономера составить цепочку, химику надо выполнить две операции. Сначала сделать так, чтобы на концах маленьких молекул появились свободные связи. Затем заставить эти молекулы соединиться между собой.
Взаимодействие между молекулами может происходить только при их столкновениях (чтобы сцепить два вагона, их обязательно надо подогнать друг к другу вплотную). И совершенно очевидно, что чем чаще молекулы будут сталкиваться, тем быстрее будет протекать химическая реакция. Следовательно, чтобы ускорить ход реакции, надо либо сблизить молекулы, либо заставить их двигаться быстрее. Сблизить молекулы можно только увеличением давления, а ускорить их движение — нагреванием.
Для того чтобы «сковать» молекулярную цепочку, химик, подобно кузнецу, применяет жар и удар — температуру и давление. Это — неизменные помощники химика в его сложной работе. Увеличивая давление и, особенно, повышая температуру, химик ускоряет реакцию.
Наблюдая ход химических реакций при нагревании, ученые заметили странное явление. При повышении температуры на каждые десять градусов скорость химической реакции возрастает в два-три раза. Если увеличить температуру еще на десять градусов, то скорость реакции возрастет в 2X2=4 раза, при повышении температуры на 30 градусов — в 8 раз, а при повышении на 40 градусов — в 16 раз.
Когда же закипит вода, в которой растворено взятое для реакции вещество, то скорость его превращения изменится в 210 раз, т. е. в 1024 раза.
Выходит, что скорость реакции увеличивается гораздо быстрее, чем повышается температура. В самом деле, когда температура увеличится в 10 раз, скорость реакции увеличится в 500 с лишним раз.
Эта странная на первый взгляд закономерность долгое время оставалась без объяснения. Загадка эта была раскрыта лишь в 1913 году.
Как известно, молекулы газов и жидкостей непрерывно движутся, и скорость их велика. При обычной комнатной температуре молекулы углекислого газа мчатся со скоростью 372 метра в секунду. Скорость молекул водяного пара еще выше — 582 метра в секунду, а скорость молекул водорода — 1740 метров в секунду. Но это их средняя скорость. Ученые выяснили, что молекулы движутся не с одинаковой скоростью. Среди них есть отдельные сверхбыстрые молекулы, которые мчатся так, как будто вещество нагрето не на 10—20 градусов, а на несколько тысяч градусов. При повышении температуры количество таких сверхскоростных молекул быстро увеличивается. В реакцию же вступают не все молекулы, а главным образом «сверхбыстрые». Вот почему скорость химической реакции возрастает быстрее, чем повышается температура.
Такие молекулы обладают в момент столкновения большой энергией (имея повышенный запас внутренней энергии), т. е. находятся в возбужденном состоянии.
Такие молекулы становятся теми точками, или центрами, вокруг которых разгорается химическая реакция. Они были названы активными. Чем больше образуется активных молекул, тем быстрее соединяются между собой вещества, быстрее «сшиваются» маленькие молекулы в длинные цепочки.
Молекулы-малютки, вступая в химическое соединение, образуют молекулу нового вещества.
При химических реакциях многие вещества выделяют энергию — теплоту; поэтому энергия возбужденной молекулы не иссякает, а, наоборот, возрастает.
Молекула мчится с еще большей скоростью, резко расталкивая другие молекулы, попадающиеся на ее пути. И все они, в свою очередь, становятся активными. Число центров химической реакции с каждым мгновением становится все больше и больше. Количество активных молекул нарастает, как снежная лавина, несущаяся с горы.
Выдающиеся советские ученые — академик Н. Н. Семенов и член-корреспондент Академии наук СССР Я. Б. Зельдович разработали теорию химических реакций, образуемых активными молекулами.
Эта теория впервые дала возможность правильно объяснить загадочное поведение некоторых веществ при соединении их с другими веществами.
«Цепи активных молекул могут разветвляться, — писал академик Семенов, — одна активная молекула порождает иногда несколько новых одновременно».
Для начала полимеризации достаточно, чтобы хотя одна молекула мономера пришла в активное, возбужденное состояние. Образовавшаяся активная молекула сталкивается с другими, неактивными молекулами и соединяется с ними. Возникает первоначальная цепочка, которая постепенно становится все длиннее. А реакция, начавшаяся в одной точке, распространяется по всей массе вещества.
Так одна активная молекула может вызвать превращение в одну огромную цепь многих сотен и даже тысяч маленьких молекул.