«Мне стало очевидно, — писал Дмитрий Иванович, — что нефть образовалась в пластах более глубоких, чем самые древние слоистые образования… и я составил гипотезу, объясняющую происхождение нефти проникновением воды в трещины земли до внутреннего земного ядра, в котором можно предположить, на основании многих данных, существование углеродистого железа… От действия протекающей воды на сильно накаленное внутреннее металлическое ядро должны были образоваться, по моему мнению, углеродистые водороды, тождественные с нефтью». Разумеется, мистер Гетч не мог ответить, что получится при взаимодействии раскаленного чугуна с водой, да Менделеев и не ожидал от него ответа. В каком-то уголке памяти у Дмитрия Ивановича сохранились сведения о том, что в гренландском метеорите было обнаружено около 10 процентов углерода и органического вещества. Зато Гетч сообщил Менделееву другой очень важный факт: в пенсильванской нефти никогда не было обнаружено остатков органических тканей.

В 1876 году, возвращаясь в Петербург, Дмитрий Иванович держал к голове готовый план исследований. Исследовав под микроскопом свежую нефть, он не нашел в ней следов органических тканей. А обработав водой чугун, очень богатый углеродом, он убедился, что образуются вещества, близкие к тем, из которых состоит нефть. Позднее французский ученый Клоэз показал, что действительно сильно науглероженный чугун способен давать продукты, почти тождественные с природной нефтью.

Но главным доводом в пользу своих предположений Дмитрий Иванович считал то, что нефтяные источники как в Пенсильвании, так и на Кавказе расположены вдоль линий, параллельных направлению горных хребтов. Выпираемые изнутри могучими силами, эти хребты должны были проламывать напластованные сверху породы, и через образовавшиеся трещины внутрь земли устремлялись струи воды. Достигнув раскаленного углеродистого железа и других металлов, вода давала целую гамму химических соединений. Превращенные внутриземным жаром в пар, они устремлялись по трещинам и ходам в верхние слои, охлаждались, конденсировались и образовывали в принимавших их слоях нефтяные залежи.

Гипотеза Дмитрия Ивановича произвела такое впечатление на немецкого геолога Р. Абиха, который двадцать лет занимался изучением геологии Кавказа, что он счел необходимым перевести менделеевскую статью на немецкий язык и опубликовать перевод в отчетах Венского геологического института за 1879 год. Эта неожиданная поддержка авторитетного геолога и оживление русского нефтяного дела после отмены акциза возбудили в Дмитрии Ивановиче горячее желание самому поехать на Кавказ и лично осмотреть новые месторождения. Весной министерство финансов дало средства для поездки Менделеева и его сотрудника А. Потылицына на Кавказ.

Для Дмитрия Ивановича эта поездка была особенно волнующей. Во-первых, начальство Морского корпуса, где учился его сын, разрешило Володе поехать на Кавказ вместе с отцом. А во-вторых, с ними отправилась в путешествие и Анна Ивановна. Она ехала на летние каникулы на Дон, к родителям, и Дмитрию Ивановичу не стоило больших трудов уговорить ее ехать вместе до Нижнего Новгорода поездом, а дальше до Царицына пароходом. В Царицыне они расстались, и все остальное путешествие Дмитрий Иванович проделал с Володей. Анна Ивановна никогда и нигде не говорила о том, что летом 1880 года путешествовала по Волге с Дмитрием Ивановичем.

Много позже в своих воспоминаниях, изданных в 1928 году, она пишет так, будто осенью 1880 года они встретились впервые после долгого перерыва и будто тут только чувства их вполне проверились. В смятении она написала письмо отцу, и тот предложил ей немедленно уехать на несколько месяцев за границу.

«Я уезжала одна (в начале декабря 1880 г.), — вспоминала Анна Ивановна. — Дмитрий Иванович провожал меня, помогал сам укладывать красивый кофр, купленный для этого путешествия; был и особый замок с буквами, который отпирался на слове Roma».

8 февраля 1881 года на университетском акте, где присутствовал министр народного просвещения В. Сабуров, студент Л. Коган-Бернштейн, поднявшись на хоры, произнес обличительную речь против министра и бросил в зал пачку прокламаций центрального студенческого кружка, незадолго до того организованного исполнительным комитетом «Народной воли». Произошло замешательство, воспользовавшись которым несколько студентов протискалось к первому ряду, где сидел Сабуров, и один из них нанес ему удар…

Предвидя новые затяжные волнения и разбирательства, Дмитрий Иванович решил оставить университет. «На университетском акте, — писал он впоследствии, — министра Сабурова хотел ударить Коган-Бернштейн… Беспорядки и волнения шли. Устал я и к Анюте хотелось. Подал в отставку, а меня уговорили — на отпуск (Бекетов был ректором). 17 февраля простился с университетом, отправился 26 февраля в Рим к Анне Ивановне, которая приняла ласково, хотя и шутливо, однако кротко пошла за меня 2/14 марта».

«Мы уехали из Рима вместе. Я даже не успела ни с кем проститься, — вспоминала Анна Ивановна. — Мы поехали в Неаполь, потом на Капри, чтобы обсудить наше положение. В Риме было слишком много знакомых, а нам было не до них. Дмитрий Иванович предложил так: пока дело о разводе идет, поехать на Волгу, на нефтяной завод Рагозина, куда его давно приглашали… Теперь это приглашение было кстати… До лета нам оставалось еще полтора месяца, и он захотел показать мне Париж и Испанию, в которой и сам еще не был».

В Париже Дмитрий Иванович встретился с Рагозиным и договорился с ним о приезде в Константиново, на Волге, где находился рагозинский нефтеперерабатывающий завод. На этом парижские дела были закончены, и молодые отправились в путешествие по Испании — одно из немногих путешествий Дмитрия Ивановича, не преследовавшее научных целей.

Путешественники, хорошо знающие Испанию, отмечают, что в пейзажах, природе этой страны есть некоторое сходство со степной Россией. И однажды Менделеев и Анна Ивановна испытали точно такое впечатление. Ночью им пришлось ожидать поезда на станции, одиноко стоящей в поле. Они молча сидели на ступенях лестницы и задумчиво смотрели в степь. «Яркие звезды, теплый ветерок, тишина, нарушавшаяся только треском кузнечиков, — писала Анна Ивановна, — и вдруг вспомнилась мне такая же станция в степях, такой же ласковый ветерок там далеко, далеко. Ночная темнота дополняла иллюзию. Я сказала Дмитрию Ивановичу о своих думах, и вдруг нас обоих потянуло, захотелось домой в Россию».