khimie.ru

В эволюции топливных элементов, при конструировании одного из важнейших его «органов», пористых электродов, прослеживается любопытная тенденция. Стремясь к чисто техническим идеалам, отталкиваясь от безжизненных металлов и пластмасс, мало заботясь о подражании живому, человек, однако, творит вещи, удивительно родственные и созвучные лучшим образчикам природы. Получается, что в своей деятельности он невольно как бы переизобретает то, что давным-давно изобретено в живой стихии.

В самом деле, человеческая «машина» слагается из миллиардов мельчайших клеточек. Энергию в каждой вырабатывают малютки МХ. Энергетические крохи, капли. Но мы воочию видим: человек, этот сконструированный природой робот, в состоянии поднять над головой штангу в 200 килограммов и больше, перепрыгнуть через планку, висящую на двухметровой высоте.

Не то же разве и в топливных элементах, где микротоки-ручейки сливаются в токи-реки величиной в сотни ампер! Мы знаем: ключ к этому чуду − в совершенных пористых электродах, мысль о которых вызревала у человека в течение многих десятилетий.

Когда-то, на заре жизни, перед природой стояли те же проблемы, что и перед творцами топливных элементов: надо было из слабого (сила элементарных биохимических реакций − тот же обмен электронами! − столь же невелика, как и при электрохимических метаморфозах) сотворить сильное, из малого большое.

Природе это блестяще удалось. При этом был «выработан» ряд принципов организации живой материи.

Первый − использование больших поверхностей. Всюду в биологических системах отношение поверхности к объему чрезвычайно велико.

Легкие человека, например, состоят из 300 миллионов пузырьков − альвеол с общей поверхностью, как подсчитал один советский ученый, как у волейбольной площадки.

В крови содержится около 22 триллионов красных кровяных шариков-эритроцитов; если оценить и их поверхность, то уместно говорить уже о сравнении с футбольным полем.

Слизистые оболочки кишечника состоят из бесчисленного множества капилляров и ворсинок. Их поверхность на удивление велика и никем еще, видимо, не измерялась.

Теперь о втором принципе живого. Об умении жизни «ловко» использовать пористые среды.

При фотосинтезе углекислый газ воздуха, соединяясь с водой, под действием света и в присутствии «катализатора» — хлорофилла дает в качестве продуктов реакции углеводы и кислород − побочный продукт, им дышит все живое.

Хитрость процесса в том, что в зеленом листе должны соединиться три различные стихии: газ, жидкость и электромагнитные волны. И тут важны не только тончайшие биофизические и биохимические процесы, но и структура листа.

Как видим, проблема та же, что и в топливном элементе, где надо свести газ, электролит и электроны.

Внешне лист кажется зеленой лепешкой. Но разрежьте ее бритвой и взгляните на срез в микроскоп − увидите чудесную картину. Лист внутри порист, словно губка. На долю пор приходится 20-30 процентов его объема. Эта «мера» облегчает дыхание и проникновение углекислого газа к клеткам мезофилла − к мякоти, рыхлой и также пористой ткани листа.

Эффективность работы листа обеспечена и тем, что один кубический сантиметр зеленой ткани листа заключает в себе 100-200 квадратных сантиметров «рабочей» поверхности.

Расположенная где-то в толще листа отдельная клетка мезофилла, в которой плавают хлоропласты, крошечные органеллы зеленой клетки, эти «цехи» фотосинтеза,− конечная инстанция для всех потребляемых листом веществ. Именно она должна быть в достаточной степени и одновременно обеспечена лучистой энергией, влагой и углекислотой. На нее работают и устьица («ворота» − отверстия на поверхности листа), и внутренние поры, и «трубопроводы» − проводящие воду жилки растения.

Итак, вновь параллели между техникой и природой.

Третий принцип, которого «придерживается» природа,− это использование гидрофильно-гидрофобных пористых сред.

В том же листе проблема дозировки решена гидрофильно-гидрофобными средствами; иначе поры листа были бы полностью затоплены влагой, и газ бы туда не попал.

И опять невольно вспоминаются гидрофобизированные пористые электроды в самых современных топливных элементах.

Удивительно еще и то, что, хотя весь животный и растительный мир вышел из океана, биохимические реакции протекают вовсе не в водной (гидрофильной), а в гидрофобной среде. Ибо вода, как уже было сказано, очень агрессивный элемент: она активно вмешивается в процессы и «смазывает», нарушает их стройность и специфичность.

В воде белок, например, принимает форму глобулы (шара), и лишь в гидрофобной среде он, расправляясь, принимает рабочее состояние.

Известно далее, что в водной среде скорость биохимических реакций на несколько порядков меньше, чем в среде гидрофобной. И сейчас биохимия стоит на пороге создания нового и важного раздела − биохимии неводных сред.

Можно задать вопрос: а как в живом образуются области гидрофобности? Все биологические мембраны построены из фосфолипидов − молекул, имеющих как гидрофильные, так и гидрофобные концы-хвостики. Работающая клетка, объединяя одноименные хвостики, может «по желанию» создавать в мембране локально как гидрофильную, так и гидрофобную среду. Может инициировать, ускорять процессы, но может и гасить их.

Конечно, между гидрофильностью и гидрофобностью пористых электродов топливных элементов и теми же свойствами живой клетки дистанция еще немалая, однако по мере усложнения технических систем (вовсе не обязательно только электрохимических!) мертвое будет неуклонно сближаться с живым, становясь одновременно удобной моделью, помогающей вызнать все самые сокровенные тайны жизни.