С исследования осмотических явлений начался один из самых плодотворных периодов научной деятельности Грэма. В 1855 году ему предложили перейти на работу в лабораторию Государственного монетного двора. Грэм с радостью принял это» предложение, так как профессорская деятельность отвлекала его от проведения научных исследований, а членство в ряде правительственных комиссий отнимало значительную часть драгоценного времени.
Работа в лаборатории Монетного двора была сравнительно спокойной, и ученый получил возможность посвятить свое время науке. В лаборатории он находил радость и смысл всей своей жизни. Даже дома после трудового дня он мысленно возвращался в лабораторию, к опытам, к неизвестному, которое ждал» своего открытия.
Изучение осмотических явлений встречало большие трудности. Ученому никак не удавалось установить взаимосвязь между высотой поднимавшегося столбика жидкости и концентрацией растворенного вещества. Грэм провел десятки, сотни,тысячи опытов, но все оказалось напрасным. Законы осмотического давления суждено было открыть Вильгельму Пфефферу[445] лишь через 20 лет.
Прошло пять лет с тех пор, как Грэм начал работать в лаборатории Монетного двора. Он следил за достижениями ученых не только Англии, но и всего мира. Растворы изучали многие. Интересные открытия в этой области сделал Майкл Фарадей. Распыляя порошок металла в воде, он получил очень тонкие взвеси, сохранявшиеся длительное время. Эти «растворы» были очень похожи по свойствам на растворы кремневой кислоты, которые Грэм изучал вместе с молодым ассистентом Уильямом Остином. Томас Грэм не обзавелся в свое время семьей, и потому ничто не мешало ему задерживаться в лаборатории вместе с Остином до поздней ночи.
Грэм и Остин провели ряд исследований, на основе которых Грэм создал совершенно новую теорию веществ. В результате своих опытов они установили, что некоторые вещества образуют исключительно стойкие растворы. Если такой раствор подвергнуть испарению и потом охладить, растворенное вещество выделится в виде кристаллов. Словом, такие вещества очень легко кристаллизуются. Другая группа веществ, как установили ученые, образует нестойкие растворы, которые легко коагулируют, и растворенное вещество осаждается в виде студенистого осадка или тонкого порошка. Несмотря на все усилия, им не удалось получить кристаллы веществ второй группы. Приняв, что свойство кристаллизоваться заключено в самой сущности веществ, Грэм разделил их на две группы: первые (легко образующие кристаллы) он назвал кристаллоидами, вторые (не образующие кристаллов) — коллоидами.
Растворы коллоидных веществ обладали и другим важным свойством: при охлаждении они постепенно сгущались и превращались в студнеобразную массу — гель. При нагревании гель снова превращался в жидкость — золь. Изучая диффузию растворов, Грэм установил, что коллоидные растворы не могут переходить через перегородку, а кристаллоидные — переходят. Он сразу же использовал это свойство для получения совершенно чистых коллоидных веществ. С этой целью Грэм наливал коллоидный раствор в широкое блюдо, дно которого было выполнено в виде полупроницаемой мембраны. Опущенное в ванну с чистой водой, блюдо плавало по ее поверхности наподобие лодки. Все соли, растворенные в коллоидном растворе, проникали через перегородку в чистую воду, а в блюде оставались лишь коллоидные частицы. После того как воду меняли несколько раз, в блюде оставался совершенно чистый коллоидный раствор, из которого можно было выделить и само вещество. Таким образом Грэму удалось получить очень чистые окись кремния, гидроокиси железа, алюминия и хрома, прусскую синь, оловянную, титановую, вольфрамовую и молибденовую кислоты. Некоторые из этих веществ (например, окись кремния) встречаются в природе в кристаллическом состоянии. Эти исследования Грэма способствовали формированию воззрений, развитых впоследствии другими авторами[446]. Согласно этим воззрениям, коллоидное состояние является свойством всех веществ, но в определенных условиях.
Одновременно с изучением коллоидных растворов Грэм по-прежнему занимался газами. Дричиной этому послужило открытие французского химика Анри Сент-Клер Девилля. Грэм не раз перечитывал сенсационную статью ученого.
— Остин, идите-ка сюда. Вот почитайте. Какое замечательное открытие! — Он протянул журнал ассистенту. — Опять о прохождении газов через полупроницаемые перегородки.
Остин, взглянув на заголовок, воскликнул:
— Но здесь речь идет о платине[447]. Разве платина пористая?
— Уникальное открытие! Надо немедленно все проверить.
— Но у нас нет аппаратуры Девилля.
— А мы поступим по-иному. Когда-то, лет сорок назад, я начал изучать диффузию газов и для этой цели мне служила одна-единственная стеклянная трубка. Теперь мы возьмем платиновую трубку. Плотно закупорив ее с одного конца, выкачаем из нее воздух и поместим в атмосферу водорода; если то, о чем пишет Девилль, верно, через некоторое время внутри трубки должен накопиться водород.
Остин приготовил необходимые детали прибора, и они начали эксперимент. Тонкие стенки платиновой трубки оказались полностью непроницаемыми для водорода не только при комнатной температуре, по и при 200, 300 и даже 500°С. Однако, когда температура платиновой трубки повысилась настолько, что металл раскалился докрасна и начал светиться, как разгоревшийся уголь, в ней начал бистро накапливаться водород. Газ свободно проходил сквозь нагретую металлическую стенку трубки.
— Девиль совершенно прав. Надо проверить, проявляет ли платина это свойство только по отношению к водороду или по отношению к другим газам также, — возбужденно сказал Грэм.
— С чего начнем?
— Вначале с чистых газов — азота и кислорода, а потом поставим опыты со смесями.
Новое свойство платины так увлекло двух неутомимых экспериментаторов, что они временно забросили все другие проблемы. Через некоторое время ими было показано, что проникновение через платину является характерным свойством только водорода. Если платиновую трубку, нагретую докрасна, вводили в сосуд, заполненный светильным газом, то в трубку проходил только водород, а метан и другие газы, входившие в состав светильного газа, оставались в сосуде. В то время как в течение получаса в трубке накапливалось до ста кубиков водорода, объем проникших метана, азота, этилена, окиси и двуокиси углерода едва достигал одной десятой доли кубического сантиметра.
— Полная аналогия с каучуковыми мембранами, — сказал Грэм. — Когда я был молод и только начинал работать, я наблюдал подобное явление на каучуковых мембранах. Если наполнить резиновый шарик воздухом, через некоторое время он сжимается, потому что часть заключенного в нем газа выходит через тонкие стенки. Подумайте, анализ оставшегося газа показал, что это почти чистый азот. Каучуковая мембрана проницаема только для кислорода.
— Тогда можно предположить, что и другие вещества будут проявлять это удивительное свойство.
445
Вильгельм Пфеффер (1845–1920) — немецкий физиолог растений. В работе «Осмотические исследования» (1877 г.) с помощью сконструированного им особого типа осмометра (с полупроницаемой мембраной из железистосинеродистой меди) показал зависимость осмотического давления раствора от его концентрации и температуры. О Пфеффере см.: Биографический словарь деятелей естествознания и техники, ук. соч., т. 2, с. 159; История биологии: С древнейших времен до начала XX века/Под ред. С. Р. Микулинского. — М.: Наука, 1972, с. 453 и сл.
446
Изучением коллоидных систем с успехом занимались русский ботаник и химик Илья Григорьевич Борщов (1833–1878) и другие русские и советские ученые: Ф. Н. Шведов (1840–1905), Н. А. Шилов (1872–1930), Б. Шишковский (1873–1931), А. В. Думанский (1880–1967), М. С. Цвет (1872–1919) и др. Большой вклад в исследование коллоидов внесли также лауреаты Нобелевской премии 1926 г. немецкий ученый Рихард Зигмонди (1865–1929), шведский ученый Теодор Сведберг (1884–1971) и французский ученый Жан Батист Перрен (1870–1942).
447
Упомянутые работы касаются не только платины, но и платиновых металлов — иридия, осмия, рутения.