Об изобретателе слова «плазма», человеке, который мог получить премию как по химии, так и по физике, о мыслителе, который считал, что для науки важна свобода, и о человеке, который смог измерить длину молекулы линейкой и мерной колбой, повествует наш сегодняшний выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Ирвинг Ленгмюр

Родился 31 января 1881 года, Бруклин, Нью-Йорк, США

Умер: 16 августа 1957 года, Вудс-Хол, Массачусетс, США

Нобелевская премия по химии 1932 года. Формулировка Нобелевского комитета: «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».

С точки зрения американцев, наш нынешний герой был самого «знатного» рода. Еще бы: по матери Ирвинг Ленгмюр вел род аж от тех пуритан, что высадились на американском континенте в ноябре 1620 года на знаменитом галеоне «Мэйфлауэр» (к слову, на самом деле, так на английском называется не любой майский цветок, а боярышник). Так что третий ребенок в семье Чарльза и Сэйди Ленгмюров имел полное право гордиться происхождением.

Папа Ирвинга работал страховым агентом, видимо, в связи с этим школы будущему нобелевскому лауреату пришлось посещать в разных городах. Начал он с Парижа (его семья переехала во Францию, где отец представлял Нью-Йоркскую страховую компанию). По воспоминаниям Ирвинга, он ненавидел школу до 14 лет – особенно за жесткую и даже за жестокую дисциплину (к не-французам она была избирательно жесткая). Впрочем, его воодушевил один учитель, увлекший его логарифмами и тригонометрией – «вещами, казалось бы, совершенно неприменимыми» в обычной жизни обычного человека. Однако, как говорил Ирвинг, по-настоящему интерес к науке в нем пробудил другой человек – его старший брат Артур, привлекавший его к работе в лаборатории уже в 12. Артур был химиком-технологом в одной из компаний.

Затем последовали школы в Нью-Йорке и в Филадельфии. В Бруклине он окончил Институт Пратта (так называемая high-school), а затем поступил и в Колумбийский университет – но не на что-то «базовое», а в Горный институт (School of Mines), поскольку юношу уже тогда привлекала химия, а программа по химии в Горном была несколько круче. Впрочем, уровень США вообще был тогда не самым лучшим: на рубеже XIX и XX веков в науке «рулила» Германия. Поэтому, получив диплом инженера-химика в 1903 году, Ленгмюр садится на пароход и отбывает в Европу. Геттингенский университет и руководство физхимика, одного из основателей физической химии, Вальтера Нернста, будущего нобелевского лауреата вполне устраивали нашего героя.

Докторская диссертация Ленгмюра была посвящена скорее физике, чем химии: он изучал распад (диссоциацию) водяного пара и диоксида углерода при взаимодействии с раскаленной добела платиновой проволокой. Ирвинг провел изучение этого процесса в диапазоне температур от 1351 до 1537 К, однако объединив работу с данными, которые получил сам Нернст, он сделал солидную диссертацию, посвященную диссоциации этих двух соединений в интервалах температур от 1000 до 3000 градусов Цельсия. Так он соприкоснулся с первой из основных тем исследований в своей жизни – физикой и химией плазмы (забегая вперед, скажем, что и сам термин «плазма» в науку ввел именно Ленгмюр).

Защитившись, наш герой решил заняться фундаментальной наукой, а не идти, подобно брату Артуру, в промышленную химию. И поэтому вернулся в США, получив место преподавателя химии в Стивенсоновском технологическом институте в Хобокене, штат Нью-Джерси (впрочем, это всего лишь через Гудзон от Нью-Йорка и Манхэттена). Однако достаточно быстро Ленгмюр понял, что преподавание тоже не дает ему времени заниматься наукой. И оказалось, что если пойти в химию от бизнеса, а именно – в R&D (как сейчас принято говорить) компании General Electric, то можно получить лабораторию, в которой ты будешь заниматься только наукой и больше ничем. Впрочем, GE как раз и были пионерами такого подхода к науке от бизнеса.

Первая работа Ленгмюра стала продолжением его докторской. И кошмаром для инженеров и исследователей GE. Дело в том, что в компании, выпускавшей в том числе и лампы накаливания, были убеждены, что лучше всего лампа светит, когда ее колба не наполнена ничем, то есть вакуумирована. Однако новый ведущий исследователь быстро сумел доказать, что ярче всего – лампы, наполненные азотом. Против фактов не попрешь, и хорошо стало всем, кроме упертых технологов: потребители в США сэкономили миллионы долларов на расходах на электричество, GE, соответственно, миллионы заработала на лампочках.

Впрочем, сам вакуум Ленгмюра заинтересовал очень сильно – и для своих экспериментов он в 1916 году изобрел вакуумный насос, при помощи которого можно было делать вакуум в 100 раз более сильный, чем ранее. Вообще, надо сказать, что получив относительную свободу, Ленгмюр изучал много чего, и в итоге пришел к изучению электронных ламп для радиотехники (кстати, в 1922 году его лабораторию посещал сам Маркони) и каким-то образом дошел до изучения особенностей испускания электронов вольфрамовой нити, покрытой оксидом тория. И оказалось, что активнее всего вольфрамовая нить испускает электроны, когда она покрыта слоем всего в одну молекулу. Кстати, в этой работе ему помогал двоюродный брат Уильям Камингс Уайт. Так началось изучение двумерного мира поверхностных явлений в химии.

То, что поверхность вещества способна удерживать (адсорбировать) молекулы другого, было известно уже давно. Так, адсорбцию изучал замечательный термодинамик Джозайя Уиллард Гиббс, соотечественник Ленгмюра – еще в XIX веке. Однако именно Ленгмюр, более-менее разбираясь в современных концепциях строения атома и имея одновременно хорошее химическое и математико-физическое образование, смог показать, как это работает, как располагаются молекулы адсорбируемых веществ на поверхности адсорбента, какие силы участвуют в этом процессе (таковых сил-связей насчиталось больше, чем пальцев на одной руке – кулоновское взаимодействие, валентность, ван-дер-ваальсовы силы, электронное давление, отталкивание завершенных электронных оболочек и дипольное межмолекулярное взаимодействие). Вывел Ленгмюр и уравнение изотермы адсорбции (уравнение Ленгмюра). Прервавшись на военные работы по обнаружению вражеских подлодок во время Первой мировой войны, Ленгмюр распространил изучение поверхностных явлений на тонкие масляные пленки на поверхности воды. В 1917 году вышла его фундаментальная работа в Journals of American Chemical Society «Строение и фундаментальные свойства твердых тел и жидкостей. Часть 2. Жидкости». В ней он теоретизировал о структуре масляных пятен на воде, справедливо полагая, что длинная цепочка будет ориентирована гидрофильными концами к воде, образуя слой толщиной в одну молекулу. Толщину пленки можно было легко выяснить, измерив объем вылитого масла и площадь пятна, что давало возможность измерить длину молекулы еще до появления спектроскопии.

Именно эти работы и принесли Ленгмюру Нобелевскую премию по химии 1932 года, в которой он обошел, например, основателя химии цепных реакций Макса Боденштейна или исследователя витаминов Пауля Каррера.

Впрочем, нужно сказать, что к тому времени (а в 1932 году Ленгмюр стал главой лаборатории), Ленгмюр давно уже занимался совсем другими вещами. Он продолжил изучать то, с чего началась его карьера – диссоциацию и ионизацию газов при высоких температурах, и достиг в физике плазмы выдающихся успехов: начиная от самого термина «плазма», описывающего новое, четвертое состояние вещества, заканчивая понятием электронной температуры, зонда для ее измерения (щуп Ленгмюра), электронные волны плотности в плазме (волны Ленгмюра). В практическом плане – изобретение атомной водородной сварки (первой в истории плазменной сварки), да и современные работы по управляемому термоядерному синтезу базируются в том числе и на работах нашего героя. И это мы еще не говорим об изучении атмосферы Земли, постоянных научно-популярных лекциях, работах по философии свободы и философии науки, научной этике, методе «разгона» облаков йодидом серебра и твердой углекислотой и 54 томах его рабочих дневников в фирме General Electric объемом в 330 страниц каждый. Вот такой вот мощный человек стал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1932 году (а мог бы получить и премию по физике – на нее, за работы по плазме, он тоже был номинирован целых пять раз, из них дважды – Нильсом Бором).