Наука в Сибири
N 35 (2321)
14 сентября 2001 г.

ПРОБЛЕМЫ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ

В.Федин, доктор химических наук
И.Терехова, кандидат химических наук

30 августа — 1 сентября в Институте неорганической химии Сибирского отделения проходил Российско-Французский семинар "Архитектура супрамолекулярных систем: тенденции и развитие", Организаторы семинара с российской стороны — Сибирское отделение РАН, Институт неорганической химии, Институт биоорганической химии, с французской стороны — посольство Франции, Университет Луи Пастера (Страсбург, Франция)

Семинар посвящен новой, развивающейся области знаний — химии супрамолекулярных соединений. Соединений, в формировании которых главную роль, в отличие от обычных химических, играют невалентные взаимодействия. Этот термин для определения подобного рода соединений ввел в 1978 г. французский химик Ж.-М.Лен, супрамолекулярная химия была определена им как "химия за пределами молекулы", "химия молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей".

Данный раздел науки стал бурно развиваться лишь в середине прошлого столетия. Выходя за пределы какого-либо раздела химии и, более того, являясь междисциплинарной наукой, находящейся на стыке химии, физики и биологии, супрамолекулярная химия объясняет тонкие процессы, происходящие в живой и неживой природе. Объекты ее исследования — и тончайшее разделение веществ вплоть до оптических изомеров, и хранение чрезвычайно взрывоопасных и токсичных веществ, и синтез соединений с желаемыми свойствами, создание новых технологических схем и изучение важнейшего природного явления — газовых гидратов.

Начиная с 1980 года состоялось более 25 международных симпозиумов, семинаров, школ, посвященных различным разделам супрамолекулярной химии. Одно из таких совещаний — III Международный семинар "Соединения включения" — прошло в 1989 г. в Академгородке, организовал его также Институт неорганической химии.

В работе российско-французского семинара приняли участие ведущие в этой области ученые Франции: проф. Джордж Випфф (Страсбург), проф. Чарльз Миосковски (Страсбург), проф. Александр Варнек (Страсбург), проф. Антони Кулеман (Лион), проф. Людовик Жульен (Париж), проф. Ришар Жиже (Страсбург), проф. Бернард Эресманн (Страсбург).

Подчеркивая значимость семинара для развития российско-французского сотрудничества необходимо отметить, что поездка французских ученых была спонсирована посольством Франции. С российской стороны участие в семинаре приняли ученые Института биоорганической химии, Института катализа, Института неорганической химии, Института теоретической и прикладной механики, занимающиеся проблемами супрамолекулярной химии.

Тематика представленных докладов очень разнообразна. Это компьютерное моделирование молекулярной динамики при образовании супрамолекулярных ансамблей в процессе жидкостной экстракции (докл. проф. Дж. Випффа), свойства мицеллярных надмолекулярных систем (доклады к.х.н. А.Булавченко, ИНХ, д.х.н. Е.Стоянова, ИК), использование химических информационных методов для направленного синтеза новых молекулярных образований с заданными параметрами. (проф. А.Варнек). Большой интерес вызвали доклады, посвященные свойствам надмолекулярных биологических объектов: кристаллизации протеинов на различных молекулярных основах (проф. Ч.Миосковски), влиянию химических параметров на рост кристаллов протеинов (проф. Р.Жиже). Академик В.Власов сделал доклад о супрамолекулярных комплексах олигонуклеотидов.

Среди разнообразия объектов, представленных на рассмотрение, необходимо отметить неорганические супрамолекулярные ансамбли (работы В.Федина, А.Бурдукова, ИНХ и др.).

Значительное внимание было уделено химии клатратных соединений, являющейся наиболее изученной частью супрамолекулярной химии, и в частности ярким их представителям — газовым гидратам.

Подводя итоги работы семинара и отмечая высокий уровень рассмотренных работ, участники выразили надежду на дальнейшее сотрудничество в развитии этой новой и важной области знаний — супрамолекулярной химии.

стр. 

Наука в Сибири
N 23 (2309)
15 июня 2001 г.

ВИЗИТ К ХИМИКАМ

Людмила Юдина, "НВС"

Часть японской делегации посетила Институт неорганической химии СО РАН. Этот институт хорошо известен своими давними связями с Японией. Более того, в институте расположился "Японский Дом", представительство Центра по изучению Северо-Восточной Азии (Тохоку университета).

Директор ИНХа академик Федор Кузнецов увлекательно рассказал гостям о своем институте, сопровождая речь демонстрацией слайдов. Здесь развиты исследования процессов синтеза комплексных соединений, образования соединений включения, синтез функциональных материалов. В институте изучают электронное строение и кристаллохимию неорганических веществ, физико-химические основы процессов разделения и очистки, физико-химию материалов электронной техники, включая высокотемпературные сверхпроводники. Одно из активно развиваемых направлений — термодинамика неорганических веществ и материалов.

В ходе беседы у японских специалистов то и дело возникали вопросы — о кадровом составе института, о том, за счет чего удается получить тот или иной оригинальный научный результат...

Рассказ об институте завершился экскурсией на участок, где выращиваются уникальные монокристаллы для разных отраслей производства. Среди экземпляров есть просто великаны — весом до 60 килограммов. Гостей заинтересовала технология выращивания кристаллов, ростовые установки, техника обработки кристалла. Они с интересом выслушали рассказ доктора технических наук, заместителя директора Конструкторско-технологического института монокристаллов Людмилы Исаенко, а затем совершили экскурсию и в этот технологический институт.

стр. 

Наука в Сибири
N 3 (2289)
19 января 2001 г.

РАСКРЫВАЯ ЗАГАДКИ КРИСТАЛЛА

Престижной академической премии имени Е.С.Федорова 2000-го года удостоены член-корреспондент РАН Г.Бокий и доктор физико-математических наук С.Борисов.

Георгий Борисович Бокий - один из организаторов Института неорганической химии СО РАН. Пять лет он проработал в ИНХе, исповедуя мудрый принцип "руководить - значит предвидеть", и успел многое сделать за этот небольшой срок. Как ученый Г.Бокий рос вместе с формирующейся наукой кристаллохимией, которая, благодаря рентгеноструктурному анализу, показала реальное устройство веществ на атомном уровне. Возвратившись в Москву, он продолжал поддерживать с сотрудниками Сибирского отделения самые тесные отношения.

Станислав Васильевич Борисов работает в Институте неорганической химии СО РАН с первых дней — молодой специалист приехал в Сибирь по приглашению Г.Бокия. Сегодня доктор физико-математических наук С.Борисов — известный специалист в области рентгеноструктурного анализа и кристаллографии, более 10 лет руководит организованной Г.Бокием лабораторией кристаллохимии.

Премия присуждена ученым за цикл работ "Систематика природных силикатов и оксидов и законы структурообразования в неорганических соединениях". Наш корреспондент Л.ЮДИНА попросила Станислава Васильевича БОРИСОВА рассказать о вкладе, внесенном в работу коллективом возглавляемой им лаборатории кристаллохимии.

- Станислав Васильевич, прежде всего хотелось бы узнать, что выделило ваши работы среди других, представленных на соискание премии?

- Возможно, тот факт, что нам удалось получить результаты, которые оценены как "крупный вклад в фундаментальную кристаллографию и кристаллохимию". А говоря проще, мы сумели сказать свое слово в постижении тайн образования и существования кристалла.

Кристаллы широко распространены в природе — они образуют разные геологические породы, почти все металлы находятся в кристаллическом состоянии и т.д. Но возьму на себя смелость утверждать, что до сих пор нет ясной картины, что же такое на самом деле кристалл. Всеми признается, что кристалл — особое состояние вещества. Но за счет чего возникает это особое состояние, какие факторы тут главенствуют? Если, скажем, по идеальным газам все точно рассчитано, даны необходимые определения, характеристики, описана термодинамика, то по кристаллу таких данных нет. Мы постарались разобраться в сути этого явления. Дело в том, что прежде подходы к кристаллу были чисто геометрические. Самое общее, что узнают еще в школах — он имеет кристаллическую решетку. Все знают, что такое решетка — это повторяемость в трех направлениях какого-то кирпичика, элементарной ячейки. Но что "держит" геометрию, сохраняет строгий порядок на протяжении десятков тысяч этих самых кирпичиков?

- Что сподвигло вас заняться проблемой?

- Причин много. Но отправной точкой, скорее всего, стала одна фраза из статьи нашего патриарха академика Николая Васильевича Белова, смысл которой сводится к следующему: если 500 атомов расположились в определенном порядке, то и 501 подчиниться этому порядку, "сядет" также из-за лучшего соответствия "системе дебаевских волн, обеспечивающих устойчивость постройки".

- К каким постулатам сводится ваша теория?

- Мы показали, что дальний порядок в расположении атомов обеспечивается упорядочением их системой плоских стоячих волн. Это чисто механическое приближение: есть набор масс, связанных упругими силами —межатомными взаимодействиями. Колебаний в такой системе возникает множество, но энергетически выгодными будут именно плоские стоячие волны. С постепенной потерей энергии (охлаждением насыщенного раствора) остаются только эти колебания, поскольку стоячие волны не рассеивают энергию в пространство и, следовательно, существуют вечно. Вот это и есть кристаллическое состояние.

Конечно, эти представления нужно было проверить на практике. И вот уже около десяти лет мы занимаемся конкретными кристаллическими структурами — брали в основном неорганические соединения, которые ближе нам — оксиды, фториды, сульфиды. Работы, отмеченные комиссией по присуждению премий — только часть из достигнутых результатов.

- Можно считать, что вы убедили коллег в своей правоте?

- Знаете, что было самым сложным? Повернуть общественное мнение к признанию новых представлений.

- И много времени на это ушло?

- Мы регулярно выступали на разных научных форумах, публиковались в журналах. Для интересующихся сообщу, что основополагающая работа была опубликована в 1992 году в шестом номере Сибирского журнала структурной химии. И присуждение премии — убедительный показатель признания.

- Вы тему для себя закрыли, или еще будете заниматься проблемой?

- Конечно, будем продолжать работать над расширением круга структур и детализацией. Сейчас, как нам кажется, много работы для специалистов-термодинамиков. Сложные системы, которыми мы занимались, термодинамикой описаны не полностью. В частности, явление, именуемое симметрией. Ведь симметрия — не только совпадение при поворотах, это и переносы, и кристаллическая решетка в целом. Здесь нужны нетрадиционные подходы.

В общем плане можно так сформулировать задачу: всякая система тогда устойчива, когда она минимальна по энергии. В идеальном газе каждый атом имеет три степени свободы, может двигаться в трех направлениях. На каждую степень свободы приходится определенное количество энергии.

В кристалле атомы связаны симметрией, и это означает, что каждый отдельный атом не имеет степеней свободы, ими обладают только жестко связанные группировки атомов. Таким образом, происходит значительная экономия степеней свободы, а следовательно и энергии, ибо в каждой степени свободы заключена определенная доля энергии.

Механизм в общем нам понятен, но требуется все в деталях рассчитать, "довести до числа". И тогда можно получить то, что называлось бы "уравнением кристаллического состояния".

Существует в настоящее время такое понятие — синергетика, самоорганизующиеся системы. Кристалл —один из примеров синергетической системы. Многие из загадок его организации уже разрешены, но есть еще немало проблем, над которыми предстоит поработать.

В заключение хочу сказать, что мне особенно приятно получить премию имени Е.С.Федорова. И не только потому, что наши работы продолжают его идеи, но и потому, что она связывает меня с личностью этого гениального русского ученого, патриота отечественной науки, теоретика и конструктора, минералога, исходившего тысячи километров, человека независимого во мнениях и от власть имущих. Кстати, академиком его выбрали у нас только за несколько месяцев до смерти, и получить академический паек в голодном 1919 году он так и не успел.

стр.

Наука в Сибири
N 1 (2287)
5 января 2001 г.

КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ РОСТА

Наш рассказ - о лаборатории физико-химических методов исследования газовых сред Института неорганической химии. Ее возраст - 27 лет, что это зрелый, высокопрофессиональный коллектив.

Экскурс в историю лаборатории:

Год основания - 1973. Первый заведующий лабораторией - кандидат химических наук Моралев Вадим Михайлович, отчаянный жизнелюб, прирожденный организатор, романтик в науке, Научное направление - разработка новых принципов и методов детектирования сверхнизких концентраций примесных молекул в газах; исследование химических реакций в газовых средах. За годы существования лаборатории защищено 10 кандидатских и 4 докторских диссертации. Награды: в 1981 году - премия Ленинского комсомола в области науки и техники, в 1998 году - Премия Правительства РФ в области науки и техники.

Заведующий лабораторией последних лет - доктор физико-математических наук лауреат Премии Ленинского комсомола и Премии Правительства РФ В.НАДОЛИННЫЙ. Мы попросили Владимира Акимовича рассказать о работе коллектива и его проблемах.

- В сложные для науки дни заведующие лабораториями - это та когорта научных сотрудников, на которых легла вся тяжесть проблем Академии наук и от которых в определенной мере зависит ее будущее. Судите сами. Правительство выделяет нищенский бюджет на науку, и прежде всего завлабы ищут источники финансирования исследований, возможности их материального обеспечения и решения кадровых вопросов.

Да, одна из самых больных проблем сегодня - это проблема кадров. Стареют наши институты!

Но начиная с такой грустной ноты, хочется отметить те ростки будущего, которые вселяют надежду. Как это ни странно, но наиболее важные результаты лаборатории получены в последние годы. Защищены две докторские и три кандидатских диссертации. Расширены научные контакты с зарубежными ведущими научными школами, промышленными группами, а также медленно возрождающейся российской промышленностью.

Из наиболее значимых результатов хочется отметить разработку технологии получения моносилана, исходного материала для аморфного кремния солнечных элементов, из отходов производства кремния - тетрахлорсилана, накопившегося в гигантских количествах со времен СССР. Технология сейчас реализуется на Новосибирском заводе химконцентратов. Проблему решали сообща сотрудники разных лабораторий ИНХа и других институтов. У нас в коллективе это направление возглавляет ведущий научный сотрудник, доктор химических наук В.Лаврентьев.

В лаборатории разработан первый в России масс-спектрометр с ионизацией при атмосферном давлении. Он имеет преимущество на 3-5 порядков по чувствительности по сравнению с традиционной масс-спектрометрией. Это позволяет определять в режиме реального времени сверхнизкие концентрации паров различных веществ в воздухе.

Имеет прибор целый ряд преимуществ и по сравнению с зарубежными аналогами. На уровне макета он прошел испытания на предприятиях Новосибирска. Разработкой заинтересовалось Министерство энергетики США, и ведущий специалист, разработчик прибора кандидат химических наук В.Первухин был приглашен на работу по контракту на два года в Америку.

Конечно, возможности лабораторий данного министерства США существенно превосходят наши. Но именно данное обстоятельство позволило нашим специалистам существенно продвинуться в понимании процессов, протекающих при ионизации анализируемого газа на входе масс-спектрометра и разработать новые способы ионизации. Думаю, что результаты, полученные В.Первухиным за рубежом, позволят ему завершить свою докторскую диссертацию.

Одно из интенсивно развивающихся в лаборатории направлений - разработка технологий нанесения функциональных покрытий на сплавы алюминия, титана, циркония методом микроплазменного оксидирования (МПО). Основоположник способа нанесения покрытий на металлы - сотрудник института Г.Марков. А в нашей лаборатории этой проблемой занимаются его бывшие ученики И.Киреенко, О.Цвиклинский и В.Кириллов. Именно с этим направлением лаборатория связывает большие надежды на финансирование со стороны промышленных предприятий, поскольку методом МПО можно получать износостойкие, антикоррозионные и диэлектрические покрытия на металлах.

Совместно с Заводом химконцентратов лаборатория разработала волоки из сплавов алюминия с покрытием, являющимся по составу электрокорундом, для волочения алюминиевых труб. К данным способам нанесения защитных покрытий последнее время стали проявлять интерес промышленные предприятия России и промышленные группы Китая и Индии. Большая золотая медаль, полученная лабораторией на Сибирской ярмарке в нынешнем году - показатель возрастающего интереса российской промышленности к наукоемким технологиям. Предмет особого внимания и гордости лаборатории - группа электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). И хотя в ее составе сейчас только два научных сотрудника - старший научный сотрудник, кандидат химических наук Е.Богуславский и автор этих строк, и два студента НГУ, полученные результаты входят в число достижений института и представляют самый передовой уровень развития науки в мире. Именно благодаря разработкам Е.Богуславского осуществлена автоматизация старых ЭПР-спектрометров Varian и Bruker, создан пакет оригинального программного обеспечения для обработки спектров ЭПР.

При переходе современной микроэлектроники от кристаллов к пленочным структурам возникли проблемы диагностики реальной структуры пленок. Проведенные исследования пленочных структур, полученных осаждением из газовой фазы, лэндмюровских пленок, показали их упорядоченность по направлению, перпендикулярному плоскости пленок. В нашей лаборатории впервые в мире разработана методология расчета спектров ЭПР для частично упорядоченных структур и создан пакет оригинальных программ для расчета параметров спектров ЭПР таких структур и пространственного расположения молекул на подложке. Получаемые данные позволяют существенно продвинуться в понимании влияния подложки и активных центров на ее поверхности на формирование структуры получаемых пленок.

Как показывает история развития физики полупроводников и микроэлектроники, именно благодаря развитию ЭПР-спектроскопии появилась информация о природе, структуре и электронном состоянии большинства примесных и собственных дефектов в диэлектриках и полупроводниках, отвечающих на многообразие физических свойств данных структур.

И не удивительно, что один из наиболее значимых за последнее время результатов лаборатории основан на данных, полученных методом ЭПР спектроскопии при сопровождении новой технологии синтеза алмаза, разработанной в Институте минералогии и петрографии СО РАН. В результате проведенных исследований доказана возможность введения в структуру алмаза перспективных ионов-активаторов, имеющих большие атомарные размеры. Причем, примесные атомы, имеющие большой атомарный радиус, при вхождении в решетку алмаза образуют необычную структуру, так называемую структуру двойной полувакансии.

Эти данные в корне изменили устоявшиеся к этому времени взгляды о бесперспективности использования алмазной структуры для создания элементов современной микроэлектроники. И именно результаты исследований привели ведущих специалистов известной компании "Де Бирс" в Сибирь (причем зимой, в самые суровые морозы).

Последовавшие после этого приглашения в ведущие лаборатории Оксфордского и Лондонского университетов, проведение исследований на обогащенных изотопом С(13) алмазах, а также тесные контакты с ведущей группой теоретиков Роберта Джонса из университета города Exeter доказали энергетическую выгодность таких структур не только в алмазе, но и в кремнии.

Япония, практичная страна, после опубликования этих результатов организовала фонд промышленных предприятий по созданию алмазных пленочных структур, обладающих n- и p-проводимостью.

За последние годы фактически на базе группы ЭПР организован центр коллективного пользования. К нам обращаются с проблемами из институтов: Физики полупроводников, Теплофизики, Монокристаллов и других институтов СО РАН. С расширением деятельности в рамках интеграционных программ видится дальнейшее развитие как метода ЭПР, так и научных направлений, в рамках которых работают сотрудники лаборатории.

Большие надежды в развитии ЭПР спектроскопии мы связываем с талантливыми студентами, которые сейчас работают в лаборатории. Могу сказать, что студент физфака Николай Черней при выполнении курсовой работы по "Изучению особенностей вхождения ионов железа в решетку KNbO₃" разработал программное обеспечение для расчета спектров ЭПР монокристаллов, не уступающее по своим возможностям лицензионным зарубежным программам. И это позволило перейти на качественно новый уровень в расчетах спектров ЭПР других монокристаллов.

Лаборатория активно участвует в проектах РФФИ, Минпромнауки и различных зарубежных фондов, активно ищет возможности внедрения своих разработок на различных предприятиях России, имеет тесные научные контакты со многими ведущими лабораториями США, Японии, Англии и Португалии, и это обеспечивает достаточно стабильный уровень финансирования,

Все эти моменты являются ключевыми для привлечения молодежи в науку.

стр.