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.