Воспоминания о П.А.Ребиндере
Б.Д. Сумм

Научные и педагогические концепции П.А.Ребиндера в современной коллоидной химии

Столетие со дня рождения Петра Александровича Ребиндера дает новый и сильный импульс для обращения к его научному и педагогическому наследию. Изучение трудов классиков науки важно в нескольких аспектах. Один из них – образовательный. Хорошо известно, что даже лучшие монографии и учебники не могут заменить изучение основополагающих работ ученых-первооткрывателей, в которых впервые выдвигались принципиально новые идеи и взгляды, становившиеся в дальнейшем основой научных направлений.

Не менее важен другой аспект. Темпы развития естественных наук в ХХ в. очень велики. Четверть века после безвременного ухода Петра Александровича – это огромная дистанция. Поэтому нужно не просто вспоминать его труды, но и обсудить их значение и место в современной коллоидной химии. Такой анализ (неизбежно – субъективный) может способствовать выделению ключевых проблем и вероятных тенденций развития коллоидной химии.

Чтобы представить масштабы вклада Ребиндера в создание современной коллоидной химии, следует хотя бы кратко вспомнить, что представляла эта наука в 20-х гг., когда Петр Александрович выполнил свои первые работы и еще только выбирал свой путь в науке.

Начало ХХ в. было для коллоидной химии исключительно плодотворным. В 1905 - 1908 гг. П.П.Веймарн выдвинул концепцию универсальности дисперсного состояния вещества. В те же годы А.Эйнштейн и М.Смолуховский создали теорию броуновского движения и диффузии коллоидных частиц. В 1926 году трое ученых стали Нобелевскими лауреатами за работы по коллоидной химии: Р.Зигмонди – за установление гетерогенной природы коллоидных растворов; Т.Сведберг – за создание ультрацентрифуги для дисперсионного анализа; Ж.Перрен – за открытие седиментационно-диффузионного равновесия. В 1932 году за исследования в области химии поверхностных явлений Нобелевскую премию получил И.Ленгмюр.

Несмотря на столь крупные достижения, коллоидная химия в 20-х гг. изучала очень скромный круг систем. Преимущественное место занимали высокодисперсные золи; некоторое внимание уделялось гелям и эмульсиям. Изучение свойств этих систем носило во многом эмпирический, несистемный характер.

Главное – различные разделы коллоидной химии (оптика, молекулярно- кинетические свойства, дисперсионный анализ, коагуляция и другие) были мало связаны друг с другом. Отсутствие объединяющей концепции делало коллоидную химию этого периода в большой мере эмпирической областью; это особенно четко видно по учебникам того времени (например, по известному курсу Р.Зигмонди).

Теперь уместно сказать о тех концепциях, которые выдвинул Ребиндер уже в первые 7-8 лет своей работы, т.е. примерно к 1930 году. В предельно сжатом виде их можно сформулировать следующим образом:
1) Поверхностные явления – главный регулятор свойств коллоидных систем. "По мере развития науки о коллоидах все с большей ясностью видно, что процессы, происходящие в дисперсных системах, обусловлены свойствами поверхностных слоев на их внутренней поверхности раздела и, таким образом, физико-химия коллоидов все в большей мере основывается на выводах теории поверхностных явлений" [1].
2) Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – универсальные и гибкие регуляторы поверхностных явлений.
3) Поверхностные явления существенно влияют на объемные свойства конденсированных фаз; особо выделено их влияние на механические свойства.
4) Круг коллоидных систем очень широк. Он включает наряду с высокодисперсными малоконцентрированными золями и эмульсиями грубодисперсные и связнодисперсные системы.
5) Коллоидная химия – научная основа многих важнейших технологий; она – необходимое звено в изучении многих природных процессов.
6) Коллоидная химия – самостоятельная область науки; ее место (условно) – в "треугольнике" между химией (молекулы, атомы), физикой (макросистемы) и биологией (организованные структуры).
7) Поверхностная прочность адсорбционных слоев ПАВ – важнейший фактор стабилизации коллоидов (структурно-механический барьер).
Позднее Ребиндер выдвинул еще несколько основополагающих идей:
8) Фундаментальные представления о структурообразовании в дисперсных системах (40-е гг.).
9) Принцип термодинамической устойчивости лиофильных систем (50-е гг.).
10) Сильное снижение прочности твердых тел в контакте с поверхностно-активными жидкостями и расплавами (50-е гг.).

Совершенно очевидно, что эти концепции кардинально меняли содержание коллоидной химии, они "цементировали" ее разноликие разделы и во многом определили ее дальнейшее развитие. По сути дела П.А.Ребиндер пересмотрел фундаментальные научные концепции коллоидной химии, а для такого свершения, по словам П.Л.Капицы, "ученым требуется не только ум и интуиция, но и смелое воображение".

Ребиндер в полной мере обладал этими качествами.

Для оценки вклада Ребиндера в современную коллоидную химию важно оценить, в какой мере перечисленные идеи были новаторскими, а не представляли лишь углубление и развитие предшествующих представлений. Этот вопрос достаточно сложен и заслуживает обстоятельного исследования. Ограничимся лишь "первым приближением".

Конечно, огромную удельную поверхность как характерное свойство коллоидов отмечали еще предшественники (Веймарн, Зигмонди, Фрейндлих), но на особые свойства поверхностных слоев и поверхностных явлений в коллоидной химии первым обратил должное внимание именно П.А.Ребиндер. При этом он опирался на теорию Гиббса, труды которого он глубоко изучил еще в молодости и был по-видимому, одним из первых ученых, оценившим в должной мере их значение для коллоидной химии.

В физико-химии ПАВ прямыми предшественниками были И.Ленгмюр и Л.Г.Гурвич, труды которых Ребиндер также изучил очень детально. Тем не менее, идея об использовании ПАВ и особых свойств их адсорбционных слоев именно в коллоидной химии – в полной мере принадлежит.Ребиндеру.

Идеи Ребиндера о структурно-механическом барьере, о структурообразовании (коагуляционных и кристаллизационных структурах), о "сильных" понизителях прочности абсолютно приоритетны.

Характерная черта научного творчества Ребиндера – перечисленные идеи, при всей их оригинальности и новизне, выдвигались им, как правило, еще до начала систематических экспериментальных и теоретических исследований. Они были стартом, а не итогом. Редкая интуиция позволяла ему еще по крупицам, по разрозненным и эпизодическим данным увидеть, почувствовать главные закономерности и сразу же дать качественные объяснения труднейших вопросов.

Яркий пример такого проникновения в тайны природы – открытие адсорбционного понижения прочности. Ведь уже в первом кратком сообщении (доклад на VI съезде русских физиков в 1928 году) П.А.Ребиндер провидчески раскрыл суть нового явления [2]: "Автор задался целью изучить влияние поверхностной энергии кристалла ... на его механические и другие свойства, понижая поверхностное натяжение грани введением в окружающую среду поверхностно-активных веществ, образующих Гиббс-Ленгмюровские слои".

Эта замечательная черта Петра Александровича во многом определила и стиль работы его научной школы. Первый самый и самый главный шаг в развитии новых фундаментальных направлений сделал сам Ребиндер. Именно он "прорубал окно". Далее его ученики и последователи выполняли обширную программу экспериментальных и теоретических исследований, которые придавали идеям П.А.Ребиндера всестороннее развитие и обоснование, создавали основу их приложений и т.д.

Именно так развивались основные направления ребиндеровской школы: физико-химическая механика, структурообразование, реология, поверхностные и объемные свойства ПАВ (в том числе – мицеллообразование, солюбилизация), физико-химия смачивания, устойчивость дисперсных систем, лиофильность, диспергирование, создание материалов с заданными свойствами и эффективных методов их обработки и другие.

Хотелось бы пояснить эту иерархию (от исходной идеи Ребиндера к ее последующему систематическому развитию) на следующем примере.

В 1960 году в лаборатории физико-химической механики кафедры коллоидной химии МГУ были начаты исследования образования и роста трещин при адсорбционном понижении прочности металлов (система цинк – ртуть). Довольно быстро стало ясно, что скорость роста трещин определяется процессом доставки жидкого металла в ее вершину. При обсуждении этих результатов Ребиндер высказал предположение о том, что этим процессом может быть растекание ртути по стенкам трещины и отметил, что в отличие от статических закономерностей, кинетика смачивания изучена очень мало и представляет самостоятельную и важную проблему физико-химии поверхностных явлений.

Эти соображения Ребиндера стимулировали систематические исследования закономерностей растекания в металлических системах, которые стали основой первого теоретического описания кинетики этого процесса. Как часто случалось в подобных ситуациях, Ребиндер не согласился на свое соавторство в первых публикациях по этой проблеме. Его поддержка становлению и развитию этого направления на кафедре коллоидной химии была исключительно важной.

За давностью времени приоритетность и новаторство ряда идей, впервые выдвинутых Ребиндером, стали несколько "затериваться"; сейчас, в связи с юбилеем, весьма уместно сказать об этом "во весь голос", особенно – для молодого поколения научных работников.

Обсудим теперь, как звучат идеи Ребиндера сегодня, каково их место в современной коллоидной химии.

Представления об определяющем влиянии поверхностных явлений на свойства коллоидных систем, выдвинутые им почти 70 лет тому назад, подтвердились полностью и используются ведущими коллоидно-химическими школами и лабораториями во всем мире.

Об этом убедительно свидетельствуют тематика "Коллоидного журнала" и основных международных журналов ("Сolloid and Interface Science, Langmuir", "Colloids and Surfaces"), важнейшие монографии и учебники.

Конечно, за прошедшие 70 лет неизмеримо возросли экспериментальные возможности изучения поверхностных явлений; разрешающая способность современных методов изучения поверхности достигла фантастического уровня; чрезвычайно усилились теоретические методы, особенно – с появлением компьютерных возможностей.

Разумеется, столь могучие методы серьезно углубили представления о строении адсорбционных слоев ПАВ, мицеллообразовании, механизме адсорбционного понижения прочности и др. Однако, эти замечательные результаты нисколько не поколебали суть концепции Ребиндера об определяющей роли поверхностных явлений в коллоидной химии.

Столь же высоко следует оценивать современное значение идеи Ребиндера о ПАВ как основных регуляторах коллоидно-химических свойств и об основных принципах их классификации в зависимости от механизма их действия.

За прошедшее время неизмеримо расширился ассортимент применяемых ПАВ. Он включает высокомолекулярные ПАВ, белки, перфторированные ПАВ; значительный прогресс достигнут в изучении совместного действия двух или нескольких ПАВ (синергизм); несопоставимы и экспериментальные возможности по сравнению с 20-30 гг. Тем не менее, представления Ребиндера об определяющем влиянии адсорбционных монослоев, о роли их реологических свойств, о правиле уравнивания полярностей не только многократно подтверждены, но и по-прежнему служат надежным ориентиром как при постановке задач исследования, так и при обсуждении результатов.

Концепции N3 и N10 - о влиянии поверхностных явлений (адсорбция ПАВ, смачивание) на объемные свойства и, в первую очередь, на механические свойства твердых тел и дисперсных структур – это абсолютно новаторские идеи Ребиндера, они вообще не имели предшественников. Ребиндер выдвинул их на основе глубокого проникновения в суть процесса разрушения. Фундаментальное значение этих идей не ограничивается предсказанием адсорбционного понижения прочности кристаллов и экспериментальным подтверждением (1928 г) правильности этого прогноза. Открытие Ребиндера впервые убедительно показало, что деформацию и разрушение твердых тел недостаточно рассматривать только как чисто механический процесс; необходимо анализировать и изучать их с непременным учетом сопутствующих физико-химических процессов и явлений.

Эта концепция стала путеводной нитью физико-химической механики, сформировавшейся в самостоятельное направление в 50-х гг. [2]; в более широком смысле она стала одной из центральных концепций современной теории прочности, пластичности и разрушения материалов. Эта идея сыграла также существенную роль в становлении механохимии.

Идея Ребиндера о глубокой связи между физико-химическими явлениями на поверхности твердых тел и их механическими свойствами была выдвинута в 1928 году (дата открытия эффекта Ребиндера). Она резко меняла существовавшие тогда представления о прочности твердых тел. Не случайно приоритетное сообщение Ребиндера на VI съезде русских физиков вызвало весьма скептическую реакцию нескольких крупных ученых. С позиций сегодняшнего дня можно с полной уверенностью говорить о всестороннем экспериментальном и теоретическом обосновании этих положений. Работы в этом направлении продолжают интенсивно развиваться в ряде стран – как вширь (все новые объекты), так и вглубь (расшифровка механизмов эффекта Ребиндера на молекулярном уровне).

Рассмотрим теперь развитие концепции N4 - об исключительной широте коллоидных (дисперсных) систем.

Напомним, что коллоидная химия до Ребиндера ограничивалась изучением малых частиц, достаточно интенсивно участвующих в броуновском движении. Ребиндер резко сдвинул эту границу в сторону крупных частиц. По существу, хоть и в неявной форме, предельный размер d он определял из условия превалирования капиллярных сил над силой тяжести, что приводит к условию d<a, a²=2 / g – капиллярная постоянная жидкости (по Менделееву), – поверхностное натяжение, – плотность, g – ускорение свободного падения.

Назовем лишь одно, но очень важное современное направление, связанное с изучением поверхностных и коллоидно-химических свойств крупных частиц. Речь идет о явлениях в космических условиях, то есть при ускорении g*<<g. Для физико-химии поверхностных явлений чрезвычайно важны особенности зарождения и роста частиц новой фазы (выращивание совершенных кристаллов), смачивания и растекания в условиях невесомости. Эти исследования развиваются очень успешно.

В последние 15 - 20 лет существенно возрос интерес к изучению коллоидных свойств ультрадисперсных систем – или, в современной терминологии, – наносистем. Концепция Ребиндера об определяющем влиянии поверхностных явлений для таких ситем, с предельно развитой поверхностью, имеет особо важное значение. Сохраняет полностью силу и тезис Ребиндера о гетерогенности коллоидов как их принципиальном свойстве. Чрезвычайно важны здесь представления Ребиндера об условиях перехода коллоидных систем от свободно-дисперсного состояния к связно-дисперсному, т.е. золь-гель перехода – основы многих нанотехнологий в ряде современных отраслей промышленности. Конечно, с современной точки зрения, наночастицы организованы гораздо сложнее, чем обычные дисперсные частицы. На первый план часто выходят их фрактальные свойства. Тем не менее, отмеченные выше концепции Ребиндера весьма часто привлекаются при исследовании нанодисперсных систем.

В заключение о концепции N5. Ребиндер на протяжении всей своей деятельности уделял очень большое внимание прикладным вопросам. Он обладал редким талантом: он видел серьезные и интересные научные задачи в казалось бы сугубо технических и даже бытовых процессах (например, механизм моющего действия ПАВ). Принцип Ребиндера – искать научную суть прикладной проблемы, а не заниматься рационализацией "мелочей". Именно этот подход позволил Ребиндеру в содружестве с отраслевыми институтами, заводами, промыслами внести кардинальные улучшения во многие технологические процессы.

Назовем лишь несколько примеров: бурение горных пород (одно из первых применений эффекта Ребиндера); флотационное обогащение руд, моющее действие, вытеснение нефти (здесь была основой физико-химия смачивания); производство минеральных вяжущих (учение о структурообразовании).

П.А. Ребиндер написал несколько монографий, посвященных прикладным аспектам своей науки: "Физико-химия флотационных процессов") (1933), "Исследования в области прикладной физико-химии поверхностных явлений" (1936), "Понизители твердости в бурении" (1944), "Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформации металлов" (1954).

Петр Александрович пользовался большим и заслуженным авторитетом у многих "прикладников". Благодаря его усилиям важность и нужность коллоидной химии получили широкое признание.

Принципы применения коллоидной химии в технологии, в охране среды, в медицине развиваются весьма успешно. В качестве примеров можно назвать весьма эффективное применение закономерностей эффекта Ребиндера для повышения долговечности катализаторов, для повышения нефтеотдачи, для обработки высокопрочных материалов и бурения горных пород.

Необходимо сказать не только о научных концепциях, выдвинутых Ребиндером, но и созданной им концепции преподавания коллоидной химии в высшей школе. Основы этой концепции, в которой доминирующее место отведено поверхностным явлениям в дисперсных системах, были заложены Ребиндером еще в конце 20-х гг.; они изложены в обширной главе "Поверхностные явления, адсорбция и свойства адсорбционных слоев" [1] в учебнике В.А.Наумова "Химия коллоидов". Эти положения стали стержнем курса коллоидной химии, который Ребиндер читал в конце 40-х годов в МГУ, где он с 1942 г. возглавил кафедру коллоидной химии. Конспект этого курса (составлен К.А.Поспеловой) долгие годы был одним из основных пособий при изучении коллоидной химии студентами химических специальностей. Принципиальные положения курса Ребиндера вошли в современные учебники коллоидной химии для университетов – отечественные [3-6] и зарубежные [7].

Другой важнейший принцип педагогической деятельности Ребиндера – курс коллоидной химии должен включать не только классику, но и основные новые идеи и направления. Этот принцип он как профессор химического факультета МГУ выполнял неуклонно, ежегодно дополняя свой курс самыми новыми результатами.

Третья педагогическая концепция Ребиндера соответствует отмеченной выше концепции N6. Он считал принципиально важным не только раскрыть студентам содержание и оригинальность коллоидной химии, но и выявить ее глубинные связи с другими естественными науками – от математики до медицины. Делал он это необычайно увлекательно и поучительно.

Как воплощаются эти педагогические концепции Ребиндера сегодня? Они безусловно вошли в повседневную практику преподавания коллоидной химии в высшей школе, они вошли как важнейшая составляющая в современные учебники коллоидной химии для университетов [3-5]. Педагогические идеи Ребиндера были еще при его жизни с благодарностью восприняты в университетах Болгарии, Венгрии, Франции и, особенно, – в республиках СССР, – Белоруссии, Украине, Казахстане, Узбекистане, Грузии и других.

Таким образом, можно с полной уверенностью и без всякого преувеличения сказать, что научные и педагогические концепции Петра Александровича Ребиндера успешно выдержали самую суровую и объективную проверку – проверку временем. Есть все основания утверждать, что его идеи еще долгое время будут плодотворным стимулом для развития коллоидной химии и для ее преподавания.

ЛИТЕРАТУРА.

1. П.А. Ребиндер. Избранные труды. Коллоидная химия. М.: Наука, 1978, с. 74-120.
2. П.А. Ребиндер. Избранные труды. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979, с. 142.
3. Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. Коллоидная химия., М.: Высшая школа, 1992, 416 с..
4. Д.А. Фридрихсберг. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984, 368 с.
5. С.С. Воюцкий. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976, 512 с.
6. Ю.Г. Фролов. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1982, 400 с.
7. А.Д. Шелудко. Коллоидная химия. М.: Мир, 1984, 320 с.

Сумм Борис Давидович
доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой коллоидной химии химического факультета Московского университета