Наука в Сибири
N 46 (2332)
30 декабря 2001 г.

ТЕРМОДИНАМИКА
И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

С.Габуда
доктор физико-математических наук

Проблемы исследований в области термодинамики и неорганических материалов были в центре внимания семинара, проводившегося в Институте неорганической химии СО РАН с 22 по 25 октября под эгидой президиумов Сибирского и Уральского отделений РАН.

Наблюдающаяся в современном мире тенденция непрерывного совершенствования существующих химических технологий и разработки принципиально новых, так называемых высоких технологий, — один из наиболее важных факторов, стимулирующих проведение фундаментальных физико-химических исследований, в частности, термодинамических. В результате предлагаются новые устойчивые композиции и пути их синтеза. Эти исследования необходимы для понимания перспектив создания новых материалов для электроники, информационных и нанотехнологий, при изучении процессов, происходящих в химических источниках тока, в высокотемпературных сверхпроводниках и др.

На семинаре обсуждали самые злободневные проблемы сотрудники более 20 организаций Сибирского и Уральского регионов — научно-исследовательских институтов и вузов. Следует отметить, что как в Сибирском, так и в Уральском отделениях сохранены уникальные методики измерения термодинамических свойств.

За три рабочих дня были заслушаны и рассмотрены более 160 научных сообщений по всем актуальным направлениям химической термодинамики неорганических материалов и смежным направлениям.

Гигабаксы за нанотехнологии

В 1973 г. в США была разработана технология получения "наночистого" кварцевого волокна, характеризуемого степенью очистки до 10^-8–10^-9, т.е. не более 10 атомов примеси на миллиард частиц основного вещества. Этот успех — результат кропотливого труда по выявлению и устранению всех факторов, обусловливающих оптические потери. Концентрации включений Cu, Fe, V, воды и гидроксила были снижены до нескольких долей на миллиард частиц SiO₂. В результате было достигнуто десятикратное снижение уровня потерь передаваемого по волокну сигнала по сравнению с традиционными (медными) кабелями. Уже в 1975 г. специальное судно проложило первый трансатлантический оптоволоконный кабель. С этого момента начался необратимый процесс по замене традиционных кабельных линий связи на оптоволоконные, что дало скачкообразный рост их емкости (объема передаваемой информации) и снижение расходов по содержанию линий связи. Спрос на подобную наукоемкую продукцию стабильно высокий, а чистый доход корпорации-разработчика (АТ&T, США) уже к 1980 г. составил около 10 млрд долларов (или 10 "гигабаксов").

Отмечено, что технология очистки основывается на ранее разработанной методике получения полупроводниковых материалов на основе сверхчистого кремния (так называемая "хлорная технология"), детали которой остаются в числе жестко охраняемых "ноу-хау" фирм-разработчиков. В докладе В.Титова (ИНХ СО РАН) был предложен усовершенствованный вариант "хлорной технологии", использующий особенности протекания реакций при повышенных давлениях. В полном объеме оценить перспективы данного предложения пока не представляется возможным. Вместе с тем, далеко в стороне остались перспективные технологии, связанные с использованием других активных сред, в частности, халькогенидных стекол. Теоретические возможности подобных сред на порядок-полтора превосходят лучшие показатели кварцевого стекла, что позволило бы в перспективе передавать сигнал через трансатлантический кабель без дополнительной "подпитки". Кстати, для медных кабелей из-за снижения уровня сигнала подпитка требуется через каждые 6 км, а в кварцевых кабелях — через 60–80 км.

Наноразмерные устройства
и наноэлектроника

Семинар не оставил без внимания актуальнейшую проблему наночастиц. С ней связаны возможности нарастания производительности компьютера. И здесь труднейшая из проблем — создание простейших "периферийных" устройств ввода и вывода информации. За последние годы в данном направлении не удалось существенно продвинуться, если не считать сенсационных открытий нескольких "нанообъектов" — новых аллотропных форм углерода — фуллеренов (открытых в 1985 г., Нобелевская премия за 1996 г.) и нанотрубок (открытых в 1991 г.), а также так называемых "квантовых точек", размеры которых на порядок меньше размеров наименьших МОП-структур. В нескольких докладах Л.Мазалова и сотрудников его лаборатории (ИНХ СО РАН) были представлены результаты новых исследований квантовых точек, фуллеренов и нанотрубок, которые вносят существенный вклад в данное направление.

Гонка за уменьшением размеров логических элементов и увеличением скорости ЭВМ все более и более тормозится из-за существования физических ограничений на предельно малые размеры подобных элементов. Поэтому актуален поиск новых фундаментальных решений, подстегиваемый фактом объективного существования биологического микромира с его явно "одноэлектронными" устройствами рецепции и химического узнавания. Определенный вклад в решение данной проблемы внесен в рамках исследований корреляционных взаимодействий и их влияния на термодинамические свойства октаэдрических молекул и комплексов (доклад С.Козловой, ИНХ СО РАН). Представляется вероятным, что в существующих подходах, действительно, недооценивается роль эффектов корреляции мгновенных электронных распределений, что соответствует более явному учету корпускулярной природы электрона в атомах и молекулах, которая должна быть максимально выражена именно в гипотетических одноэлектронных триггерных устройствах.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Прошлый, ХХ век знаменит величайшими открытиями, среди них наиболее неожиданное — обнаружение "идеальных проводников", или сверхпроводников, открывающих возможность передачи энергии без потерь. Поиски "высокотемпературных" сверхпроводящих материалов и композиций продолжают оставаться областью исследований, в которой наблюдается наивысший накал страстей теоретических и экспериментальных работ в химии и термодинамике неорганических материалов. Новый всплеск в данной области связан с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в MgB₂ (11.01.2001 г.) и в фуллеритах (лето–осень 2001 г.). За короткий промежуток времени проведен огромный объем исследований, позволивших проф. А.Ивановскому (ИХХТ УрО РАН) не только опубликовать обзор сверхпроводящих свойств MgB₂ в сентябрьском (2001 г.) выпуске журнала "Успехи химии", но и представить фундаментальный доклад по их теоретической химии и зонным расчетам. Главный его вывод состоит в том, что вопреки мнению скептиков, остаются надежды на практическую реализацию сверхпроводимости при комнатной температуре.

Не угасает интерес и к изучению сверхпроводящих купратов, открытых в 1987 г. и ставших уже классическими объектами исследований. Данные термодинамики позволили впервые прояснить проблему природы изменений сверхпроводящих свойств купратов, их неустойчивости, возможностей термохимии. В этом плане интерес представляли совместные работы ИНХ СО РАН (Н.Мацкевич, Ю.Стенин, Ф.Кузнецов) с МГУ (акад. Ю.Третьяков с соавторами). Отмечалось, что в области термохимии российские ученые удерживают основные приоритеты буквально с самого начала открытия ВТСП.

Литиевые источники тока

Практически важная сфера применения новейших химических технологий связана с массовым внедрением мобильных и сотовых телефонов, в которых используются перезаряжаемые источники тока (аккумуляторы). Подобные химические источники тока — традиционная область электрохимии, насчитывающая почти 2 века истории, и включающая классические имена Гальвани, Вольта и Ле-Кланше. В докладе профессора А.Кедринского из Красноярского ГТУ были рассмотрены наиболее важные аспекты химии и технологии новых, так называемых литиевых источников тока, на базе композиции литий-кобальтовой или литий-марганцевой шпинели и графита. Литиевые источники тока появились совсем недавно — в 1993 г. Благодаря ряду важных преимуществ, их производство развивалось экспоненциально, и за последние 5–7 лет годовой оборот производства вырос до 5 млрд долл. Интересные результаты по литий-алюминиевым, лантан-магний-галиевым электролитам и литий-кобальтовым оксидам представлены в работах ИВТЭ УрО РАН (В.Обросов, С.Шкерин) и ИХТТ УрО РАН (В.Волков, А.Гусев). Авторы анализируют перспективы улучшения характеристик изготовляемых на основе представленных материалов источников и демонстрируют преимущества комплексного подхода для выявления причин изменения электрических свойств электролитов. Российские исследователи имеют серьезные результаты в области химической термодинамики и технологии всех типов химических источников тока, но возможности практической реализации предлагаемых разработок неизменно связывались с проблемой получения Госзаказа, или Оборонного заказа, или того и другого.

* * *

По завершении семинара высказано предложение о необходимости создания совместного СО РАН–УрО РАН Центра термодинамики и неорганических материалов с привлечением в дальнейшем Европейского сообщества. Кроме того, решено создать рабочую группу для подготовки совместных проектов СО РАН-УрО РАН по термодинамике и неорганическим материалам и изыскания путей их финансирования в рамках существующих возможностей Сибирского и Уральского отделений РАН, Миннауки и промышленности РФ, РФФИ и др. Следующий семинар по химической термодинамике и неорганическим материалам решено провести в Екатеринбурге в 2002 году.

стр. 

Наука в Сибири
N 50 (2336)
28 декабря 2001 г.

ВРЕМЯ СЮРПРИЗОВ

Светлана Козлова,
доктор физико-математических наук, ИНХ

— Уходящий 2001 год персонально для меня стал временем сюрпризов. Первый сюрприз — неожиданно для себя защитила докторскую по физ.-мат. наукам "Корреляционные и обменные взаимодействия в оксидах и фторидах тяжелых элементов: ЯМР и квантово-химические расчеты".

В физической химии, как и во всей физической науке, все упирается в везение — удастся ли найти то самое "недостающее звено", с помощью которого хаотическая мозаика экспериментальных результатов и наблюдений вдруг приобретет какой-то очевидный смысл и логику. Здесь все — одни вопросы. Например, почему цветы пахнут? Почему нектар сладкий? Есть сотни, может быть даже тысячи идей, существуют солидные теории, а понимания, или логической картины, не получается.

К старым вопросам каждый день добавляет новые. Один из моих объектов исследования — оксид свинца. Никто не может объяснить, почему оксид свинца — тоже сладкое вещество. Его столетиями использовали для подслащивания вина, пока в конце 18 века не была установлена его сильная токсичность. Почему оксид свинца образуется в обычном (автомобильном) аккумуляторе, и тем самым выводит его из строя? Почему оксид свинца имеет низкую кристаллическую симметрию, в отличие от большинства "порядочных" моноксидов? Между прочим, это был один из основных вопросов диссертации. Оказалось, и это был второй сюрприз, все эти очень разные факты логически связаны с фундаментальными свойствами электронных распределений, в которых приходится учитывать и считать все взаимодействия — обменные, корреляционные. И даже релятивистские эффекты, что требует современного компьютерного и программного обеспечения.

И тут случился главный сюрприз — администрация ИНХ СО РАН (по инициативе профессора Л.Мазалова) закупила компьютерные программы для проведения современных квантово-химических расчетов. Независимо, в Институте катализа им. Г.К.Борескова (при поддержке РФФИ) был создан центр коллективного пользования, укомплектованный новейшими программными комплексами для квантово-химических вычислений. Уместно отметить, что за этими программами стоят теоретические знания, отмеченные Нобелевскими премиями, и практический опыт по квантовым расчетам в научных теоретических корпорациях "Шредингер" (США), "Гауссиан" (США), Амстердамская Корпорация Компьютерного расчета и моделирования (Голландия) и др. Все это пришлось как нельзя более кстати, и послужило неоценимой помощью и поддержкой в работе над диссертацией.

Четвертый сюрприз — обсуждение диссертационной работы. Обычно, основные проблемы и вопросы снимаются в рамках предзащитных, как бы неофициальных обсуждений и семинаров. В итоге, к самой защите остаются рутинные вопросы, а дискуссии получаются формальными и вялыми. Мне повезло — дискуссия получилась как бы спонтанно, без напряжения, где-то даже с юмором, что само по себе приятно.

Планы на будущее достаточно ясные. Раз есть серьезная научная "жила", ее и надо эксплуатировать. Например, интересно было бы разобраться с корреляционными взаимодействиями в соединениях относительно более легких элементов — углерода, кремния, азота, фосфора и т.д. В рамках проводимых исследований вырисовываются контуры принципиально нового подхода к проблеме химического узнавания, что относится к разряду самых острых проблем физики, химии, биохимии. Не исключено, что на этом пути прояснится актуальнейшая проблема надежно работающего одноэлектронного транзистора. Но здесь все на порядок сложнее: в мире выигрывают коллективы, имеющие не только современное математическое обеспечение, но и достойное, сопоставимое с масштабом проблемы оборудование, например, современный спектрометр ЯМР Bruker 850. Конечно, приобретение достойного оборудования в наших условиях — более чем сюрприз, но в любом случае эту задачу необходимо решать.

стр. 

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.