Текст книги "Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша"

Сегодня, когда действует Конвенция ООН о биологическом разнообразии, подобное перемещение биологического материала стало бы грубым нарушением соглашения, подписанного в 1992 году правительствами 150 стран на Саммите Земли в Рио-де-Жанейро[77]77
  Конвенция ООН о биоразнообразии: The Convention on Biological Diversity, 120901. URL: http://www.cbd.int/


[Закрыть]. Одна из главных задач – защита биологических ресурсов и знаний о них, особенно в бедных странах, от эксплуатации в интересах других государств.

Другая причина защищать биологическое разнообразие планеты заключается в том, что это один из важнейших для нас молекулярных ресурсов. Можно считать, что химическая промышленность могла бы легко состряпать технологию изготовления любой прибыльной молекулы, но это не всегда так. Синтезировать «с нуля» молекулы, такие как эвгенол, изоэвгенол и миристицин, не всегда целесообразно, и поэтому часто используются их природные источники. Это станет особенно актуально, когда закончится нефть – чудесный источник начальных реагентов.

На самом деле есть шанс, что существует еще множество неоткрытых ценных молекул – в растениях, которые в эту самую минуту находятся на грани исчезновения; это лекарства против ВИЧ и туберкулеза, новые антибиотики или идеальный прекурсор для изготовления катализатора, превращающего солнечные лучи в полезную энергию.

Голландская Ост-Индская компания утратила свое значение к концу XVIII века и исчезла в 1800 году. Вскоре после этого острова Банда утратили для голландцев экономическую важность. Однако цены на недвижимость на Манхэттене продолжали расти и сейчас являются одними из самых высоких в мире. Можно утверждать, что даже если американские индейцы сильно прогадали на этой сделке, то голландцы прогадали еще больше, а британцы, конечно, разыграли свои карты в Северной Америке так плохо, что в любом случае все было потеряно.

Однако по сей день Нидерланды являются крупнейшим рынком импорта мускатного ореха. Красочный рассказ об истории этого ореха, который с ботанической точки зрения орехом вовсе не является, можно найти в книге Джайлса Милтона «Мускатный орех Натаниэля»[78]78
  Milton, Nathaniel’s Nutmeg.


[Закрыть].

6
Смерть в доме № 29

В этой главе мы познакомимся с людьми с высоким содержанием тестостерона в организме и узнаем, как медь теряет электроны, а высший свет – людей.

Остальные пятеро пошли раньше, по одному, и в тогдашних источниках отмечалось, каким гуманным было это зрелище, поскольку его участникам не пришлось видеть друг друга. Тысячи жителей Стокгольма собрались на улице в холодный день 30 января 1744 года, чтобы посмотреть, как последний из этой шестерки, Густаф Шедин, счетовод медеплавильного завода Иншё, поднялся на эшафот. В качестве кульминации представления его должны были обезглавить, а затем разрубить тело на куски[79]79
  Andersson H. Från dygdiga Dorothea till bildsköne Bengtsson berättelser om brott i Sverige under 400 år. Vulkan, 2009.


[Закрыть].

Летом предыдущего года Шедин руководил четвертым Даларнским восстанием – последним маршем старателей и крестьян Даларны (изобилующей рудниками шведской провинции в 100 милях к северо-западу от Стокгольма) на шведскую столицу. Это движение стало выражением сильного недовольства населения королем Фредериком I и гибельной для страны войной, которую тот вел с Россией. Такое уже случалось раньше и приводило к успеху: чрезвычайно свободомыслящие жители Даларны традиционно обладали некоторой властью благодаря богатым природным ресурсам, жемчужиной которых был крупный горный медный рудник в Фалуне. Некогда он был крупнейшим подобным рудником в мире и производил около 70 % мирового объема меди[80]80
  Горнопромышленный район Большой Медной горы в Фалуне, объект Всемирного наследия ЮНЕСКО (2001). URL: http://whc.unesco.org/en/list/1027.


[Закрыть].

Рудник в Фалуне, как и многие другие, когда-то управлялся как кооперативное предприятие, и работали там свободные старатели, или бергсманы (bergsmän – «горные люди»), у которых были особые привилегии и свои законы. Однако их время подошло к концу. В 1743 году восстание закончилось кровавой резней в Стокгольме, а теперь должны были казнить шестерых его руководителей. Медный рудник также терял свое привилегированное положение. Он давал шведским королям и королевам экономическую опору для многочисленных более или менее успешных военных авантюр на территории континентальной Европы, но теперь пришел в упадок, как и военная мощь Швеции.

Это традиционно мужское занятие – рассердиться и собрать парней, чтобы разобраться с людьми и делами, – на химическом уровне связано с высоким уровнем большой органической молекулы под названием тестостерон. Для специалиста в неорганической химии, ищущего интересную историю, сейчас было бы прекрасно показать прямую связь между медью и тем, как эта молекула создается в нашем теле, начав с холестерина и заявив, что тестостерон делал мужчин из Даларны более склонными к поспешным революционным действиям. Что ж, забудьте об этой идее, потому что в этой цепочке событий нет ни следа меди. Для некоторых ферментов – белков, которые играют роль катализаторов в этих реакциях в человеческом теле, – крайне важны железо и цинк, но не медь, насколько нам известно; хотя медь играет роль реакционного центра для многих других ферментов. Этого слишком мало для обоснования, так что пойдем дальше и обсудим несколько других случаев, когда политические беспорядки были связаны с добычей меди.

Я слишком молод, чтобы помнить 1961 год, но у меня есть некоторые туманные воспоминания о 1973-м: знаменитое последнее фото президента Альенде в шлеме у главного входа во дворец Ла Монеда в Сантьяго, а рядом с ним – молодой человек в костюме с галстуком и с автоматом в руках. В 1961 году произошла авиакатастрофа под Ндолой на территории нынешней Замбии: на фотографиях изображен разбившийся самолет DC-6 и офицеры Северной Родезии в шортах. Меньше на Западе помнят о демократически избранном конголезском премьер-министре Патрисе Лумумбе, убитом в заключении при режиме Мубуто в 1961 году, с молчаливого одобрения правительства Бельгии (поступок, за который в 2002 году были принесены официальные извинения)[81]81
  Mwakikagile G. Africa 1960–1970: Chronicle and Analysis. New Africa Press, 2009.


[Закрыть].

Власть и богатство, а также война, убийство и различные ожесточенные конфликты – все это тесно связано с двумя более тяжелыми элементами в группе трех так называемых благородных металлов: серебром (Ag) и золотом (Au), а золото даже называют самым ядовитым из всех элементов, особенно опасным для разума. Все мы видели изображения пиратов, дерущихся за сундук, полный золотых дублонов, однако вряд ли в истории случались потасовки за ящик медных пенни. И однако же, вероятно, именно медь лежала в основе конфликтов в Чили и Конго, унесших жизни президента Сальвадора Альенде и Генерального секретаря ООН и шведского дипломата Дага Хаммаршёльда.

Оба эти человека представляли собой реальную или ощутимую угрозу для влиятельных компаний по добыче меди. Хаммаршёльд пытался разрешить конфликт, возникший из-за отделившейся республики Катанга на юго-востоке недавно обретшей независимость республики Конго; Альенде, будучи первым избранным социалистическим президентом, за несколько лет до того национализировал чилийские медные рудники. Альенде почти наверняка покончил с собой во время переворота и нападения на президентский дворец[82]82
  Chilean President Salvador Allende Committed Suicide, Autopsy Confirms // The Guardian, 20 July 2011.


[Закрыть]; однако авиакатастрофа, оборвавшая жизнь Хаммаршёльда и еще 15 пассажиров и членов экипажа, все еще является предметом споров, и в этом деле были предъявлены новые факты, особенно после падения режима апартеида в Южной Африке[83]83
  Borger J. New Inquiry Set Up Into Death of UN Secretary General Dag Hammarskjöld // The Guardian, 18 July 2012.


[Закрыть].

Шахта – это глубокое отверстие в земле с химической фабрикой наверху. Это особенно справедливо в отношении добычи и производства меди, поскольку с таких заводов очень часто вывозятся не один, а два важных продукта – твердый и жидкий.

Так же как и ферменты в нашем теле, медь обычно не встречается в природе в виде блестящего металла. Вместо этого, имея 29 электронов, 11 из которых – на внешней оболочке, она обычно теряет два электрона и становится медью (II), Cu²⁺, или теряет один электрон и становится медью (I), Cu⁺. Нам это удобно, так как эти ионы часто водорастворимы и легче усваиваются организмом, чем твердые куски медной пластины.

В нашем организме за ионами меди присматривают главным образом атомы азота в составе белков (аминокислота под названием гистидин справляется с этим особенно хорошо); также этим занимаются содержащие серу аминокислоты цистеин и метионин. Откроем маленький секрет: медь и серу связывают вечные любовные узы, и наши ферменты пользуются этим, чтобы заставить медь выполнять некоторые весьма важные реакции в организме. Эта связь проявляется не только в любви меди к аминокислотам с серой, но и в зеленовато-синей патине, которая покрывает медные статуи (кстати, нет ни одной такой статуи Фредерика I, – кажется, все решили, что о нем лучше забыть) и другие предметы из меди, подвергающиеся воздействию внешней среды и серосодержащим загрязняющим веществам.

Связь медь – сера также можно обнаружить под землей, поскольку многие минералы, содержащие медь, имеют в своем составе серу – например, медный колчедан (CuFeS₂). Когда стали массово появляться медеплавильные заводы, разлучение этих двух влюбленных начало представлять угрозу для окружающей среды. Причиной этого был тот факт, что в этом процессе используется кислород из воздуха, который вместе с ионами Cu²⁺ забирает по два электрона у каждого атома серы. Эта реакция превращает медь (II) в металлическую медь, а ионы серы (S^2–) – в молекулы оксидов серы (IV) или (VI) – SO₂ или SO₃ соответственно, – где атом серы хорошо спрятан в оболочку из атомов кислорода и больше не может испытывать влечения к атому меди. Разумеется, и SO₂, и SO₃ – оба они газообразны – просто выпускали из заводской трубы: всё, проблема решена!

3Cu₂S + 3O₂ → 6Cu + 3SO₂.

Но, как это часто случается, то, что для одного – мусор, для другого – клад. Вместо того чтобы выбрасывать SO₂ и SO₃ в воздух, где, смешавшись с водяным паром, они превратились бы в сернистую (H₂SO₃) и серную (H₂SO₄) кислоты и вызвали бы кислотный дождь, эти газы можно собрать и превратить в 100 % SO₃ путем окисления кислородом О₂ из воздуха при помощи новых умных катализаторов. После этого к газу добавляется вода, и мы вновь получаем серную кислоту, но теперь можем ее продать. И существует довольно большой рынок спроса: год за годом серная кислота возглавляет первую десятку химических продуктов по всему миру.

Швеция в настоящее время производит всего 1 % мировой меди, а рудник в Фалуне закрыл производство в 1992 году. Сейчас это объект мирового наследия ЮНЕСКО, и вы можете посетить и надземную, и подземную его часть. Изначальная старательская компания «горных людей» со временем превратилась в Stora Kopparbergs Bergslags Aktiebolag (Великую гильдию медных старателей), которая, вероятно, является старейшим в мире акционерным предприятием. В 1998 году она слилась с финской компанией Enso и теперь занимается гораздо более мягкими вещами, поскольку Stora Enso – одна из крупнейших в мире лесопромышленных компаний и производителей бумаги.

7
Камни голубых кровей и узник в клетке из кристаллов

В этой главе мы узнаем кое-что о древнем искусстве кристаллографии, ставшем наукой, – о той области, которая имеет отношение не только к вашему ювелиру, но и к вашей кухне и которой в равной степени занимаются материаловеды, разработчики лекарств и биохимики.

Вы, несомненно, слышали о кровавых алмазах и знаете, что это не редкая красная версия драгоценного камня, а незаконно добытые алмазы, которые используют для финансирования и затягивания вооруженных конфликтов в некоторых африканских странах. Но слыхали ли вы о камнях голубых кровей?

Детально разработанная система маркировки, известная как схема сертификации процесса Кимберли, в настоящее время используется (по утверждению некоторых, неэффективно) для отделения хороших алмазов – добытых, например, в Ботсване – от кровавых, или конфликтных, алмазов, которые не следует допускать на рынок. Эта схема не нужна для голубых камней, которые называются lapis lazuli, поскольку в мире существует лишь одна шахта, которая производит эти камни высокого качества, – шахта Сар-и-Санг в долине реки Кокча, в провинции Бадахшан на северо-востоке Афганистана; поэтому сомнений по поводу их происхождения никогда не возникает[84]84
  Finlay V. Colour: Travels Through the Paintbox. Sceptre, 2003.


[Закрыть].

Эта шахта находится в столь отдаленном месте, что туда не добрались даже такие активные и успешные путешественники, как Марко Поло и сэр Ричард Бертон, хотя первый упоминает эти места в путешествии, когда он пересек реку Оксус (известную также как Амударья), притоком которой является Кокча: «Гора в той области, где можно найти прекраснейший на свете лазурит»[85]85
  Polo M., Benedetto L.F. The Travels of Marco Polo: Translated into English from the Text of L.F. Benedetto. Asian Educational Services, 1931.


[Закрыть]. Шотландский исследователь Джон Вуд посетил это место в 1837 году, но, если верить его книге «Путешествие к истокам реки Оксус», это была отнюдь не воскресная прогулка. «Если не хотите погибнуть, избегайте узкой долины реки Коран [Кокча]» – вот к какому выводу он пришел[86]86
  Wood J. A Personal Narrative of a Journey to the Source of the River Oxus. John Murray, 1841.


[Закрыть].

Человеком, наконец добравшимся туда, стала британская журналистка Виктория Финли, автор чудесной книги «Цвет: путешествие по коробке с красками»; несмотря на то что она приехала на шахту в начале 2000-х, это был самый настоящий подвиг[87]87
  Finlay, Colour.


[Закрыть].

Так зачем кому-то переносить всяческие тяготы только ради того, чтобы увидеть шахту, в которой из горной породы можно добыть синие камни? Возможно, это объясняется тем, что за многие века эти редкие камни приобрели огромную ценность, став отличительным знаком королей и аристократии; или тем, что ради торговли ими даже в древние времена люди преодолевали огромные расстояния; а может быть, тем, что эта старейшая в мире шахта разрабатывается на протяжении 5000–6000 лет – и до сих пор действует. Причиной, по которой туда поехала Финли, были не столько сами камни, сколько пигмент, который из них получают путем растирания в мельчайший порошок и который служит основой для самого хорошего и самого дорогого синего цвета – натурального ультрамарина (это слово означает «с другой стороны моря»). Теперь у нас есть синтетические аналоги этого пигмента, но они все же несколько уступают ему по качеству, и, как мы увидим дальше, тому есть очень веская химическая причина.

Афганская политика так же сложна и запутанна, как детективные романы Рэймонда Чандлера, – по крайней мере, когда смотришь на нее со стороны; так что время покажет, будут ли на следующего участника этой истории смотреть в позитивном ключе в последующие годы. Ахмад Шах Масуд, «Панджшерский лев» – официально национальный герой Афганистана, и 9 сентября, в день покушения, которое привело к его гибели, многие афганцы совершают паломничество к его могиле в кишлаке Джангалак, чтобы отдать ему дань уважения[88]88
  Perry T. Afghan Commander Massoud, Killed on Eve of 9/11 Attacks, is a National Hero Proclaimed September 9 as Massoud Day // Los Angeles Times, 22 September 2010.


[Закрыть].

Изучая инженерное дело в Кабуле в 70-х годах, он стал политическим активистом и был вынужден бежать в Пакистан, откуда вернулся несколько лет спустя, чтобы стать легендарным полевым командиром моджахедов во время советской оккупации. Он был настолько успешным военачальником, что Советская армия, превосходившая моджахедов по количеству оружия и личного состава, так и не добилась полного контроля над провинцией Панджшер, к югу от Бадахшана, где расположена шахта по добыче лазурита. Возможно, он занимался разработкой шахты, но настоящим спасительным кругом она стала после гражданской войны в Афганистане, когда талибы триумфально вошли в Кабул, а Масуд покинул свой пост министра обороны и вновь отправился в горы[89]89
  Некролог Ahmad Shah Massoud // The Telegraph, 17 September 2001.


[Закрыть].

Мы много слышали о торговле опиумом, за счет которой финансировалась гражданская война в Афганистане, но похоже, Северный альянс, которым руководил Масуд, получал бо́льшую часть денег, контролируя международную торговлю лазуритом и другими драгоценными камнями, главным образом изумрудами, и по иронии судьбы на эти деньги закупалось оружие у бывших врагов – русских[90]90
  Dupee M. Afghanistan’s Conflict Minerals: The Crime—State—Insurgent Nexus // United States Military Academy, 2012. URL: https://www.ctc.usma.edu/afghanistans-conflict-minerals-the-crime-state-insurgent-nexus/.


[Закрыть]. Как и русские, «Талибан» так и не получил полного контроля над этими провинциями. Масуд сам был убежденным мусульманином и в некотором роде исследователем Корана, если даже не религиозным лидером, и отвергал взгляды талибов-фундаменталистов в пользу более современной версии ислама.

Так что же делает эти синие камни такими особенными? Во-первых, как и в случае с другими драгоценными камнями, дело в их детстве. Нехорошо слишком быстро расти и достигать взрослого состояния – как для людей, так и для драгоценных камней.

Рисунок 15. Ахмад Шах Масуд, «Панджшерский лев». © Reza / Webistan / Corbis.

Эти кристаллы (как химики называют большинство драгоценных камней) вырастают из крошечных скоплений молекул и ионов – зародышей. Никто точно не знает, насколько они малы – возможно, это всего несколько молекул, возможно, несколько сотен частиц, плавающих в чем-то вроде жидкости или расплава. Время от времени новая молекула из этой жидкости соприкасается с поверхностью зародыша и застревает на ней, за счет чего кристалл растет.

Так вот, главное в кристаллах – это упорядоченность. Возьмите на кухне кристаллик сахара и рассмотрите его. Он похож на крошечный сверкающий драгоценный камень, чистый и прозрачный, и у него красивые четкие грани и ребра.

Он обладает всеми этими характеристиками потому, что внутри этого кристалла вы найдете молекулы сахарозы, расположенные одинаково – сверху вниз, слева направо, спереди назад, словно солдаты на параде, лозы в винограднике или апельсины, аккуратно разложенные во фруктовой лавке. Просто их там будет гораздо больше, чем вы можете себе представить.

Если солдаты прибывают на парад неспешно и по одному, им будет легко найти свое место. Но если все они явятся на площадь одновременно, несясь туда бегом со всех сторон из-за того, что они поздно позавтракали (когда я служил в армии, у меня был приятель, отличавшийся таким поведением), им будет трудно образовать четкий военный строй, которого от них ожидают. Возможно, они смогут проследить за движением ближайших соседей, но в целом бардак будет продолжаться до тех пор, пока не явится сержант и криком не призовет их к порядку.

У молекул нет сержантов, они все равны между собой, поэтому, если такой процесс пойдет неправильно в молекулярном мире, дороги назад обычно не бывает. Возьмите красивые кристаллики сахара, растворите их в горячей воде и затем быстро выпарьте воду. Это заставит молекулы снова броситься друг к другу, чтобы образовать единое целое, и вы получите назад свои молекулы сахарозы в твердой форме, но прекрасные кристаллы исчезнут! В зависимости от условий в результате ваших действий может получиться что угодно, от липкой массы до деформированных кристаллов[91]91
  Но хорошие способы вырастить кристалл сахара из водного раствора все же существуют. Проявив немного терпения, поскольку на это уйдет не один день, вы можете провести интересный эксперимент с маленькими детьми, а наградой станет то, что вырастить можно по-настоящему большие кристаллы!


[Закрыть]. Если вдуматься, на дне вашего кухонного чайника вы тоже не найдете красивых кусочков мрамора, хотя в принципе накипь – этот тот же карбонат кальция, образующийся на нагревательном элементе (в зависимости от вашего места жительства и жесткости воды). Столовую соль легче вернуть в кристаллическую форму, так что очевидно, что это зависит от имеющихся у вас конкретных молекул, но в целом рост кристаллов – это коварная область, в которой существует мало правил и есть лишь ненадежные ориентиры. Именно поэтому некоторые мои коллеги-химики в шутку называют этот процесс «черной магией», но все же другие люди заклинаниями призывают фею кристаллов к действию в своих пробирках.

Рисунок 16. Слева: молекулы сахарозы на параде в кристалле сахара. Для простоты показаны лишь два цикла – один с пятью и второй с шестью атомами. Полная формула выглядит так: (C₆H₁₁O₅)O(C₆H₁₁O₅). Справа: упрощенная палочковая схема молекулы сахарозы.

Почему нас так волнуют кристаллы? Потому что они помогают нам видеть молекулы, с которыми мы работаем, – с тех пор как мы около 100 лет назад выяснили, как создавать изображения кристаллов, это очень сильно способствовало развитию химии, медицины и материаловедения. Молекулы, как правило, слишком малы даже для самой причудливой и изощренной современной микроскопии[92]92
  Недавно были получены хорошие изображения плоских молекул, сделанные с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ), однако большинство молекул, как и сахароза, имеют выраженно неплоскую форму, и их нельзя исследовать подобным образом. Svensson J. A really close look at molecules // Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift, 2013. P. 39–41.


[Закрыть], но, когда они стоят по стойке смирно внутри кристалла, сам порядок вещей оказывается весьма полезным: расстояния между атомами внутри молекул и между ними повторяются миллионы раз. Среднестатистический кристаллик сахара содержит около 10¹⁸ молекул – 1 квинтиллион, или то же количество, что и в решении знаменитой задачи о зернах на шахматной доске[93]93
  Довольный правитель попросил изобретателя шахмат назвать вознаграждение, которое тот хотел бы получить, и изобретатель ответил, что он хочет одно зернышко риса на первой клетке доски, два – на второй и точно так же удваивающееся количество на каждой следующей клетке вплоть до шестьдесят четвертой.


[Закрыть].

Если мы направим узкий рентгеновский луч на кристалл, фотоны луча станут отталкиваться от атомов, с которыми будут сталкиваться, – или, вернее, от их электронов. Некоторые на поверхности, некоторые в первом слое, некоторые в следующем и так далее. Если поместить позади кристалла фотографическую пластину (или еще какой-нибудь чувствительный элемент), в его центре мы увидим большое пятно от луча, который проходит через кристалл, а также более бледные пятна вокруг него. Эти смещенные от центра пятна возникают от фотонов, которые по пути столкнулись с атомом. Из-за того, что световые волны прошли разные расстояния, максимумы и минимумы волны (своеобразные «пики» и «ущелья») теперь находятся не там же, где у лучей, которые отражались от верхнего слоя и слоя, следующего за ним, и которые преодолели чуть большее расстояние.

Для обычного света это расхождение настолько мало, что оно не имеет значения, но поскольку длина волны рентгеновских лучей близка к внутримолекулярным и межмолекулярным расстояниям между атомами, то разница в преодоленном пути может достигать половины длины волны. Когда такие комбинации лучей выходят из кристалла и снова соединяются, образуя отраженный луч, максимум волны в одном отражении теперь совпадает с минимумом волны в другом отражении – две волны гасят друг друга, и пятно на пленке не появится. Это явление известно как деструктивная интерференция.

С другой стороны, если разница в пройденном расстоянии составляет одну, две, три или любое другое целочисленное значение длины волны, для фотонов максимумы совпадут, и они окажутся «в фазе». Это конструктивная интерференция, а кристаллографы просто скажут, что в таких случаях вы видите дифракционный пик. Измерив интенсивность и расположение таких пиков (дифракционную картину) на фотопленке, отец и сын Брэгг в 1913 году смогли определить расположение ионов натрия и хлора в кристаллах столовой соли и таким образом стали первыми людьми, которые «увидели» атом[94]94
  Hildebrandt G. The Discovery of the Diffraction of X-rays in Crystals – A Historical Review // Crystal Research and Technology, 28 (747). 1993.


[Закрыть]. В настоящее время широко распространены ПЗС-детекторы вроде тех, что используются в цифровых фотоаппаратах, чтобы регистрировать эти пятна.

Несмотря на разговор о пиках и ущельях, мы забрели далеко от афганских гор. Я сделал это для того, чтобы вы смогли оценить истинную красоту ляпис-лазури (а вернее, минерала лазурита), великолепного синего компонента лазуритовых руд, потому что он бесконечно более тонкий и сложный, чем король драгоценных камней алмаз. Еще до Первой мировой войны отец и сын Брэгг смогли определить положение атомов углерода в алмазе при помощи фотопленки, карандаша и бумаги, но кристаллографы до сих пор бьются над определением структуры лазурита.

Рисунок 17. Вверху: максимумы и минимумы волн, которые совмещаются со сдвигом ровно на половину длины волны (серая линия), гасят друг друга и дают нулевой сигнал. Внизу: совпадающие по фазе совмещения усиливаются и дают мощный сигнал (серая волна).

Лазурит – сложный минерал, потому что его химическая формула изменчива. В отличие от алмаза – просто «С» – мы обычно записываем лазурит как Na₆Ca₂(Al₆Si₆O₂₄)[(SO₄), S, Cl, (OH)]₂, где точное количество последних четырех составляющих варьируется в зависимости от типа горной породы[95]95
  В качестве примера, объясняющего принципы кристаллографии, это не лучшее соединение, так как оно несколько сложнее, чем среднестатистический кристалл. Вы можете представить себе, что меняющийся состав – это солдаты на параде, некоторые из которых надели другие фуражки и создали другой порядок в дополнение к тем, что стоят плечом к плечу в четких шеренгах и рядах. Технический термин для этого – «несоразмерная модуляция», и мои друзья-кристаллографы радостно сообщили мне, что тут все понятно: вы просто перемещаетесь в четвертое или пятое пространственное измерение.


[Закрыть]. Почему же это вещество ведет себя так странно, не подчиняясь закону постоянства состава, который мы изучали в школе? Причина – пространственная структура фрагмента Al₆Si₆O₂₄. Ее можно достаточно просто определить на основе рентгеновской дифракционной картины: вы увидите бесконечную взаимосвязанную структуру, состоящую из тетраэдров AlO₄ и SiO₄, где каждый атом кислорода служит мостиком в паре ионов металлов Al/Si[96]96
  Hassan I., Peterson R.C., Grundy H.D. The Structure of Lazurite, Ideally Na6Ca2(A16 Si6O24) S2, a Member of the Sodalite Group // Acta Crystallographica, 41 (827). 1985; Arieli D., Vaughan D.E. W., Goldfarb D. New Synthesis and Insight into the Structure of Blue Ultramarine Pigments // Journal of the American Chemical Society, 126 (5776). 2004.


[Закрыть].

Ну и что такого, скажете вы: если вы были внимательны на уроках химии, то знаете, что алмаз тоже состоит из тетраэдров. Но в нашем случае расстояния между центрами ячеек (теми центрами, что связаны с четырьмя другими узлами) гораздо больше, что приводит к возникновению огромных, похожих на клетки областей пустого пространства внутри кристалла. Там мы обнаружим довольно скучные – маленькие и бесцветные – ионы натрия и калия, которые занимают области поменьше, и столь же прозрачные, но более крупные ионы сульфата, хлорида и гидроксида, заключенные в клетки большего размера. Так что же с цветом: значит, его дает каркас из алюминия и кремния? Нет, подобный каркас служит основой для многих минералов. Возможно, ключ к разгадке можно найти в другой составляющей лазурита: в горной породе присутствуют кристаллические частички железного колчедана (пирита, или «золота дураков»). «Золото дураков» не только придает камню красоту, но также может играть важную роль в образовании настоящих пленников этих кристаллических клеток – отрицательно заряженных ионов S₃^–[97]97
  Fleet M.E., Liu X. Absorption Spectroscopy of Ultramarine Pigments: A New Analytical Method for the Polysulfide Radical Anion S3 – chromophore // Spectrochimica Acta Part B, 65 (75). 2010.


[Закрыть], поскольку пирит имеет формулу FeS₂ и содержит структурные единицы S-S, которые когда-то могли стать начальной точкой для появления ионов S-S–S^–.

Рисунок 18. Кристаллическая ячейка лазурита из связей Al—O и Si—O и стабилизированный в ней ион-радикал S₃^–, придающий синий цвет ляпис-лазури (три более темные сферы).

Эти необычные частицы существуют в кристалле лишь в очень малых количествах, и их требуется держать в клетке-ловушке, поскольку это радикалы. (На самом деле химия не настолько консервативна, чтобы считать, что всех радикалов нужно держать под замком; дело просто в том, что молекулу, содержащую неспаренные электроны, мы называем радикалом, и такие ребята обычно весьма активны.) Вы, вероятно, слышали о «свободных радикалах», всячески вредящих вашему организму. Это радикалы ОН; а ион S₃^– представляет собой другую разновидность подобных частиц. Он придает синий цвет лазуриту, однако, если выпустить его из клетки, он будет немедленно разрушен и цвета исчезнут. Часть секрета изготовления из лазурита хорошей краски, вероятно, заключается в том, чтобы этого не случилось по ходу дела.

Клетки и их узники – это также причина того, что подобные материалы трудно воспроизвести в лаборатории или в промышленных масштабах. Ионы S₃^— слишком велики, чтобы выбраться из неповрежденных клеток, и это также означает, что невозможно положить в клетки что-то еще. Процесс должен быть интегрированным: нестабильные ионы S₃^—должны образовываться более или менее одновременно с образованием окружающих их клеток. Химикам еще предстоит разобраться, как добиться подходящих для этого условий и создать самоцвет того же качества, что и природный.

Однако если это удастся сделать, то это может повредить будущим повстанцам, отступающим в горы Бадахшана и полагающимся на доход от этой торговли. Для Масуда все и без того закончилось плохо. В нападении, которое называют прелюдией к теракту 11 сентября, 9 сентября 2001 года в Ходжа-Бахауддине (в провинции Тахар на северо-востоке страны) на него совершили успешное покушение два террориста-смертника из «Аль-Каиды». С 2005 года 9 сентября считается «Днем Масуда» – государственным праздником в Афганистане[98]98
  Perry, Afghan Commander Massoud.


[Закрыть].