Располагая крошечным кусочком пороха, Менделеев ухитрился сделать точный анализ и справился с задачей, которая оказалась не по силам изобретателю динамита А. Нобелю и группе германских химиков, «косвенным путем» добывших несколько килограммов французского пороха. После этого он тщательно изучил все, что можно было найти о бездымных порохах, получивших тогда распространение в Европе: порохах Вьеля и Максима, баллистите Нобеля, кордите Абеля и Дьюара. И уже первое впечатление, вынесенное из этого знакомства, не только чрезвычайно характерно для Менделеева, но и проливает свет на суть творческого метода нашего знаменитого химика.
Больше всего он остался недоволен отсутствием обобщений и теоретических соображений, которые бы вносили ясность и целенаправленность в поиски новых взрывчатых веществ. Его раздражала царящая, в пороходелии неуверенность, неопределенность, ожидание новых открытий. «Бездымных порохов придумали много, легко их получить еще множество», но где гарантии, что очередная новинка — наилучшее, оптимальное решение?
Порох Менделеева может считаться классическим образцом изобретения, сделанного на научной основе. Дмитрий Иванович отказывается от поисков вслепую и разрабатывает теорию идеального бездымного пороха.
Что такое взрывчатое вещество? Это твердая, жидкая или студенистая субстанция, способная более или менее стремительно разлагаться, прекращаясь в газ. Оно тем мощнее, чем больше объем газов, образующихся при таком разложении. Чтобы оценить силу взрывчатых веществ, Менделеев предложил характеристику — V 1000 — объем газов, образующихся при разложении тысячи весовых частей взрывчатого вещества.
Введение этого параметра сразу выявило главное направление для дальнейшего совершенствования бездымных порохов: при их разложении должны выделяться только газы, не разрушающие материала орудия. А это сводит количество элементов, пригодных для порохов, до четырех: водорода, азота, кислорода и углерода. Перебирая вещества, содержащие эти элементы, Менделеев постепенно развертывает свою мысль, внося ясность и порядок в пеструю сумятицу случайных находок и интуитивных открытий, царивших тогда в пороходелии.
Прежде всего он находит верхний теоретический предел для химических взрывчатых веществ: из них самым сильным был бы полимер водорода, если бы он мог существовать, ибо для него V 1000 равно рекордно большой величине — 1000! Такой же полимер для азота гораздо слабее: его V 1000 всего 71,4.
Из химических соединении простейшие взрывчатые вещества — соединения азота с водородом. И точно, азотистоводородная кислота — сильнейшая взрывчатка с V 1000 = 93, а ее аммиачная соль еще сильнее: V 1000 = 133,3. Однако эти материалы, говорит Менделеев, не годятся для бездымного пороха, ибо разлагаются не постепенно, а сразу всей массой: детонируют. Свойством же «последовательно гореть» обладают лишь смеси и соединения, содержащие одновременно горящие (водород, углерод) и сжигающие (кислород) элементы. В каких бы сочетаниях ни входили эти элементы в органические нитросоединения, V 1000 для таких материалов, по подсчетам Менделеева, не может быть меньше 71,4 и больше 111,1. Последовательно рассматривая затем целые классы нитросоединений, Дмитрий Иванович оценивает массу открытых к тому времени взрывчатых веществ и называет ряд материалов, которые, по его мнению, должны были быть, и оказались в действительности, хорошими взрывчатками. Но главного успеха на ниве пороходелия он достиг тогда, когда применил свои метод к исследованию нитроклетчатки.
С тех пор как в 1846 году германский химик X. Шенебейн обработал обычную вату смесью крепкой серной и азотной кислот и получил первые образцы нитроклетчатки, это вещество не давало покоя пороходелам, ибо при сильном ударе оно производило мощный взрыв. Однако все попытки приспособить для стрельбы пироксилин — так назвал Шенебейн это соединение — оканчивались неудачей. Пироксилин оказался бризантным — дробящим — взрывчатым веществом.
Столь непохожий на привычный черный порох, пироксилин привлек к себе внимание многих исследователей, которые в скором времени выяснили, что при нитровании клетчатки — ваты или других растительных волокон — получается неоднородный продукт. Часть ваты превращается в нитроклетчатку с малым содержанием азота; растворенная в смеси спирта и эфира, она образует отличный клей — коллодий. Другая часть содержит много азота — это собственно пироксилин, нерастворимый в спирто-эфирной смеси.