Рис. 37. Ячейки целлюлозной цепочки; обычно цепочка содержит несколько сотентаких ячеек
Растворенная в соке растения глюкоза проходит по его внутренним каналами поднимается к растущей клетке. В стенке этой клетки молекулы глюкозысвоими концами соединяются между собой (рис. 37). Соответствующая химическаяреакция известна как реакция конденсации:-ОН + НО- → -O- + Н2O
В результате образуется кислородная связь (-O-) и молекула воды, которая уходитв сок. Всем этим процессом в растении управляет вещество, которое называетсяауксин; но как это происходит, в настоящее время не ясно. Кислородная связьмежду кольцами cахаров все-таки остается уязвимым звеном в целлюлозноймолекуле, которая может достигать в длину нескольких сотен глюкозных ячеек.Именно эта связь разрушается с помощью ферментов в желудках жвачных животных,благодаря чему они могут усваивать целлюлозу; она же разрушается, когда деревоатакуют различного рода грибки. Та же связь рвется под воздействием простыххимикалиев; так разрушает ее отбеливающий порошок, используемый в прачечных,что оказывается причиной постепенного старения и износа рубашек после многихстирок.
Длинные целлюлозные цепочки откладываются в стенках клеток более или менеепараллельно клеткам или волокнам, то есть, можно сказать, в направленииприложенной нагрузки. Процесс роста целлюлозы в целом весьма примечателен.Обычное дерево в возрасте нескольких лет имеет ствол с несколькими отходящимиот него небольшими веточками. Каждая из этих веточек по существу представляетсобой консольную балку, изгибаемую собственным весом (глава 1). Это значит, чтоверхние слои веток нагружены растяжением, а нижние- сжатием. Сук становится все толще и длиннее, а стало быть, и тяжелее, поэтому напряжения в верхних и нижних волокнах, в том месте где сук выходит изствола, увеличиваются. Как и ствол, ветка растет: с каждым годом на ееповерхности под корой слой за слоем откладывается новый материал. Если быочередной слой откладывался каждое лето в свободном от механических напряженийсостоянии, то ветка, или балка, провисала бы все больше и больше, и все деревьядолжны были бы уподобиться плакучей иве. Однако с большинством деревьев такогоне случается. Сучья растут примерно под одним и тем же углом к стволу в течениевсей жизни дерева, так что молодое деревце можно считать геометрически подобнымвзрослому дереву. Так получается потому, что у большинства пород новаяцеллюлоза откладывается уже во вполне определенном напряженном идеформированном состоянии.
Работая с гидрохиноном и другими довольно простыми растворимыми веществами,я выращивал длинные игловидные кристаллы, усы (глава 3), которые утолщались путем как бы натягивания на поверхность новыхслоев материала, что геометрически похоже на растущие слои в дереве. Исходныеусы, тонкие волоконца, часто были в высшей степени изогнутыми, и можнобыло заметить, что растущие слои оказывали на них сильное выпрямляющеевоздействие, отчего волнистые зародыши, вырастая до миллиметровой толщины,всегда становились очень прямыми. Отсюда ясно, что растущие слои этих кристалловформировались под значительным механическим напряжением и эти напряжениявыпрямляли волокна. Подобные явления встречаются довольно часто в простыхнебиологических системах, в этих случаях ни о каких дополнительных управляющихвеществах или биологических механизмах и речи быть не может. Мы могли быпоэтому предположить, что прямой, без провисания рост ветки идет под механическимнапряжением тоже без участия какого-либо биологического механизма. Но невсе растения ведут себя подобным образом, и с помощью прививки можно заставитьнормально растущее дерево стать похожим на плакучую иву. Есть предположения,что ауксин, управляющий синтезом целлюлозы, под действием тяжести концентрируетсяв нижних слоях ветки и, следовательно, внизу целлюлозы откладывается больше.Мне кажется, однако, что это далеко не полный ответ.
Целлюлозные цепочки всегда представляют собой простые нитевидные молекулы,которые не переплетаются с соседними нитями путем образования кислородныхсвязей на боковых сторонах сахарных колец, как это делают другие болееслабые полисахариды, например крахмал. Растительная клетка имеет формутрубки, стенки которой образованы длинными, уложенными приблизительно параллельнонитевидными молекулами целлюлозы. В природной целлюлозе имеются области,где молекулы-цепочки уложены идеально в параллельные пряди-кристаллы, ониудерживаются в таком порядке с помощью гидроксильных связей по боковымсторонам молекул. Такие образования можно считать вполне добротнымикристаллами с той удивительной особенностью, что они короче образующихих молекулярных цепочек (рис. 38). Каждый такой кристаллит заканчиваетсяпучком распушенных цепочек, напоминающим по форме помазок для бритья, вкотором волоконца уже не очень параллельны. Молекулы могут в дальнейшемвновь собраться в параллельный пучок и образовать новый кристаллит, такчто одна молекула иногда тянется через несколько кристаллитов.
Рис. 38. Кристаллически-аморфная структура целлюлозы
Итак, кристаллические области образуются с помощью гидроксильных групп,которые избавились от плотно прилегающих к ним молекул воды; такая жесткаякристаллическая система оказывается недоступной для воды. Мы знаем обэтом по рентгеновским измерениям: когда целлюлоза набухает в воде, расстояниямежду молекулами в кристалле не изменяются. С другой стороны, целлюлозаочень интенсивно притягивает жидкость и атмосферную влагу, и это с инженернойточки зрения ее самый большой порок.
Доля кристаллического материала в натуральной целлюлозе может бытьочень различна, но в среднем она составляет 30-40%. Некристаллическая,то есть аморфная, целлюлоза не имеет никакой защиты своих гидроксильныхгрупп от влаги, Поскольку большинство этих групп со своими соседями жестконе связано, они подхватывают любую доступную им молекулу воды, образуявокруг себя водную оболочку. Это, естественно, снижает взаимное притяжениегидроксилов. Силы, сохраняющие целостность клеточной стенки в боковом направлении,падают, и клетка разбухает. Целлюлоза полностью не переходит в растворотчасти благодаря большому размеру своих молекул, а главным образом потому,что система в целом механически связана присутствием кристаллических областей,непроницаемых для воды и составляющих значительную часть общей массы. Такназываемая "регенерированная целлюлоза", целлофан, получается путем растворениянатуральнойцеллюлозы химическими методами, разрушающими кристаллиты. Затем полученныйраствор осаждается, образуется прозрачная пленка, состоящая в основномиз перепутанных отдельных молекул и намного меньшей доли кристаллитов.Намокая, такая пленка становится очень рыхлой и теряет всю свою прочность;целлофан может использоваться в качестве оберточно-упаковочного материала(это его основное назначение) лишь потому, что на него с двух сторон нанесенаочень тонкая непроницаемая для воды лаковая пленка. Однако после продолжительногозамачивания материалы такого типа становятся безнадежно слабыми, в то времякак натуральная целлюлоза сохраняет довольно большую часть своей прочности.
Используемые нами натуральные сорта целлюлозы - это древесина, бамбук,тростник, лен, конопля, хлопок, рамп, сизал, эспарто и т.д. Однако, каки следует того ожидать, их механические свойства, и особенно разбуханиев воде, зависимость прочности от температуры и содержания влаги отличаютсялишь в деталях. Общая же картина для всех целлюлоз одинакова.
Свойства древесины
Как различны форма и размеры деревьев, так по-разному выглядит и древесина.Однако эти более или менее внешние признаки не столь важны, основное, чтоотличает разные типы древесины, это их плотность. Так, плотность выдержаннойпробки от 0,08 до 0,16 г/см, ели - около0,5 г/см, дуба - примерно 0,8 г/см,гваякового дерева - 1,1-1,3 г/см. Химическоеже строение вещества любой древесины примерно одинаково (с небольшими видоизменениями),как приблизительно одинакова и его плотность, около 1,45 г/см(что очень близко к плотности сахара).
Древесина состоит из большого числа трубчатых ячеек - волокон, плотноприлегающих одно к другому. Чтобы их разделить, обычно приходится прибегатьк довольно крутым мерам, как это, например, делается в производстве бумаги.У различных пород деревьев существуют небольшие различия в геометрическомрасположении волокон. Например, некоторые породы (в частности, дуб) содержаткакое-то число волокон, бегущих по радиусу от центра ствола и пересекающихпродольные волокна под прямым углом. Но с инженерной точки зрения любуюдревесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материалэтих трубок по существу для всех пород одинаков, плотность отдельных породзависит от толщины стенок труб. В результате оказывается, что в первомприближении большинство механических характеристик древесины пропорциональноее плотности: древесина, в два раза более плотная, будет и вдвое прочнее.Это не абсолютно точно, но приблизительно верно.