Лайнус Полинг и кристаллография

Расскажу немного о том, что этот человек сделал, с упором на его кристаллографическую активность. Его Нобелевская премия мира — предмет уже другого разговора. Полинг родился в семье достаточно разношерстного происхождения. Сама фамилия Полинг вообще-то немецкая, и, как и огромный процент жителей США, Полинг имел немецкие корни. В раннем Советском Союзе его фамилию писали как Паулинг, то есть побуквенно, хотя сами американцы чаще произносят Полинг. Полинг окончил Орегонский сельскохозяйственный институт. Многие университеты США в своей ранней истории (а начало XX века — это, конечно, ранняя история для США) были сельскохозяйственными или горными школами. То, что было Орегонским сельскохозяйственным институтом, сейчас называется Орегонским университетом. Кстати, сейчас это довольно хороший университет. Многие из тех сельскохозяйственных школ так и не выросли в хорошие университеты. Мы знаем университет какого-нибудь там Вайоминга или Северной Дакоты, Южной Дакоты — это до сих пор очень слабые университеты, которые начинались как такие сельскохозяйственные школы.

А Орегонский университет со временем стал достаточно сильным. Но в те времена это было не так. И вот Полинг окончил этот университет. Казалось бы, выпускнику такого университета научная карьера не светит. Но Полинг был очень любопытным человеком, очень любознательным, и его очень рано, с самого появления, заинтересовала нарождающаяся физическая дисциплина — квантовая механика. Он получил стипендию и поехал в Мюнхен, к Арнольду Зоммерфельду — выдающемуся физику, который был одним из отцов этой нарождающейся дисциплины. После этого он был в Копенгагене, навещая Нильса Бора, и после года жизни в Европе вернулся в Америку.

Вернулся совершенно другим исследователем — вернулся, к тому времени уже наработав несколько ключевых открытий, очень мощных публикаций и фактически став основателем новой дисциплины — структурной химии. В принципе, структурная химия в каком-то виде существовала еще и до Полинга. Еще наш Бутлеров рисовал структурные схемы, и Кекуле тоже, но как наука, основанная на физических принципах, структурная химия действительно была создана Лайнусом Полингом. Лайнус Полинг ввел ключевые понятия, такие как электроотрицательность. Хотя опять же можно сделать оговорку, что какие-то попытки создания такого понятия, как электроотрицательность, делались и до него, но он этому понятию придал, можно сказать, окончательный и общепринятый смысл.

Он был одним из тех, кто создал популярную шкалу ионных радиусов, он был тем человеком, который придумал слово «гибридизация» — гибридизация атомных орбиталей. И тут, кстати говоря, есть отсылка к его прошлому в сельскохозяйственной школе, где гибридизировали разные растения: овес, ячмень и так далее. И так же у Полинга гибридизировались S-, P- и D-орбитали. Полинг в 1939 году выпускает блестящую книгу «Природа химической связи». Она выдержала целый ряд переизданий, стала классикой. К настоящему времени эта книга устарела, но она оказала колоссальное влияние на несколько поколений химиков.

Полинг формулирует пять знаменитых правил, определяющих строение кристаллических тел. Первое правило — что в ионах кристаллов межатомные расстояния определяются суммой ионных радиусов, а координационные числа, то есть число соседей для каждого атома, определяется соотношением размеров этого атома и его соседей. Второе правило, несколько более сложное, но, пожалуй, более мощное, говорит о том, что в ионных структурах наблюдается локальный электростатический баланс. Позже оказалось, что не только ионные структуры подчиняются этому правилу. Третье правило говорит о том, что если вы берете центральный атом, смотрите на его соседей и строите многогранник, состоящий целиком из этих соседей, то эти полиэдры, то есть многогранники, окружающие каждый атом, согласно третьему, а также четвертому правилу в несколько разных аспектах будут стремиться стыковаться по вершинам или не стыковаться вообще для маленьких высокозаряженных ионов. И пятое правило говорит о том, что кристаллические структуры имеют тенденцию быть простыми, то есть устойчивые кристаллические структуры стремятся, имеют тенденцию состоять из малого числа различных строительных блоков, то есть мы можем их экономным образом описать.

С Полингом произошло достаточно много перипетий, достаточно много трансформаций. В более позднее издание своей книги он уже не включал пятое правило, потому что оно подвергалось многочисленным нападкам, хотя на самом деле правило правильное, корректное. Полинг очень часто оказывался прав, но достаточно часто оказывался и неправ, но даже в своих ошибках он был гениален. Эти ошибки, трансформируясь, приводили неизменно к новым идеям. В конце жизни Полинг был противником открытия квазикристаллов (это было, пожалуй, его крупнейшей ошибкой).

Квазикристаллы, открытые в 1982 году израильтянином Деном Шехтманом, были приняты Полингом в штыки. Полинг утверждал: «Нет квазикристаллов, мои друзья, но есть квазикристаллографы», говоря именно про Шехтмана. Он объяснял существование квазикристаллов (квазикристаллы — это упорядоченные твердые тела, не построенные на принципах периодичности, то есть непериодические, но тем не менее пространственно высокоорганизованные), их свойства тем, что существуют некие кристаллы, как считал Полинг, с очень большими элементарными ячейками, которые фактически воспроизводят те же самые свойства. Полинг оказался неправ, в квазикристаллах нельзя выделить даже такую большую элементарную ячейку, но тем не менее существует класс соединений, который является мостиком между обычными кристаллами с простым строением и квазикристаллами с исключительно сложным строением, и они действительно характеризуются такими большущими трансляционно повторяемыми элементарными ячейками, они называются аппроксимантами квазикристаллов.

У Полинга есть еще один аспект, который очень часто обсуждается в популярной прессе, — его любовь к витаминам. Это тот самый Полинг, который фактически создал структурную химию, тот самый Полинг, который создал биохимию, и тот самый Полинг, который показал, что в случае ядерной войны вероятно тотальное уничтожение человечества. И благодаря его работам ядерная гонка вооружений была в значительной степени приостановлена.

В 1941 году, когда Полингу было сорок лет, он очень серьезно заболел, у него проявилась тяжелая болезнь почек. Вообще у него была плохая наследственность: его и отец и мать умерли в раннем возрасте, и сам Полинг был достаточно болезненным человеком. И у него была эта почечная болезнь. Доктора ему сказали, что он не переживет эту болезнь и умрет. Но один доктор ему прописал витамин C в достаточно больших количествах и попросил воздерживаться от белковой пищи, ограничить ее. Полинг выжил, более того, стал гораздо более жизнеспособным (напомню, он прожил 93 года).

После этого Полинг увлекся также биохимией, в значительной степени чтобы поправить свое собственное здоровье. Он был одним из первых людей, которые исследовали строение биологически активных молекул, белков и ДНК. Как-то Полинг, лежа в постели с очередной болезнью, игрался с молекулярным конструктором (кстати, одна из популярных моделей изображений кристаллических и молекулярных структур принадлежит именно ему), пытаясь прикинуть, как аминокислотные остатки могут соединиться в белковую цепь, а эта белковая цепь может свернуться в пространстве. И, лежа в постели, он придумал структуру альфа-спирали, а несколько позже и бета-листа — это основные структурные элементы в белках. Эти работы были последней каплей в этом стакане воды, и он был награжден Нобелевской премией по химии.

Кстати говоря, уже в те времена он проявлял большую активность против грядущей третьей мировой войны, которая была, повторюсь, в значительной степени предотвращена его гуманистическими работами. Уже в это время он намозолил глаза американскому правительству, и незадолго до вручения Нобелевской премии, когда он был приглашен в Великобританию с лекциями, ему отказали в выезде власти США, аргументируя это тем, что Лайнус Полинг недостаточно активно борется с коммунизмом. На дворе был 1952 год. Но тем не менее вскоре Нобелевскую премию он получил по химии, затем последовала Нобелевская премия за мир, а затем — увольнение из Калифорнийского технологического института, где Полинг проработал, по сути, всю жизнь. Недавно истек период конфиденциальности, и вскрылись архивы, в которых было найдено письмо от администрации президента США президенту Калифорнийского технологического института, где говорилось, что если Полинг не будет уволен, то Калифорнийский технологический институт никогда не будет получать федеральные гранты США. Полинг был уволен, разумеется, по собственному желанию и через какое-то время создал свой собственный институт, который так и назывался — Институт науки и медицины имени Лайнуса Полинга, и профессором этого института Полинг проработал весь остаток своей жизни.

Сейчас этот институт присоединен к Университету Орегона — тому самому, в котором Полинг начинал свою блестящую научную карьеру. Мне кажется, оценивать вклад Полинга в науку нужно в самых положительных тонах. Да, Полинг временами был неправ, но, даже когда он был неправ, это шло на пользу науке. Но в большей части случаев Полинг оказывался прав. Его трудами, повторюсь, создана структурная химия, молекулярная биология, биохимия, и во многом благодаря активности этого человека мы живем в относительно мирное время.