Наука в Сибири
N 32-33 (2368-2369)
16 августа 2002 г.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК XXI ВЕКА

4-я международная конференция по газовым гидратам, которые называют главным энергетическим источником XXI века, недавно прошла в Японии, в Йокогаме.

В.Белослудов
доктор физико-математических наук

Иллюстрация

Доктор физико-математических наук В.Белослудов выступает с памятной речью о профессоре Ю.Дядине

Совсем немного времени понадобилось международному сообществу для осознания того, какая важная роль отведена природным газовым гидратам в XXI веке. В значительной мере этому способствовали международные конференции по газовым гидратам, которые проходили в 1993, 1999 в США и в 1996 во Франции. Четвертая конференция состоялась в г. Йокогама (Япония) и была первой азиатской конференцией. В ней участвовали представители из 19-ти стран мира. Впервые столь активное участие в конференции по газогидратам принимали китайцы и корейцы. До последнего времени в этих странах практически не велись работы, связанные с газовыми гидратами. Среди новых стран, в которых начаты работы по газовым гидратам, следует отметить и Аргентину и Бразилию.

Сюда, в Японию, как и на предыдущую, 3-ю международную конференцию, проходившую в США, прибыли различные специалисты, представители правительств и бизнеса.

К конференции были изданы два тома трудов, в которых опубликованы 204 доклада с результатами работ, выполненных в течение последних трех лет. В настоящее время, благодаря финансовой поддержке правительств США, Японии, Германии, Индии и Китая, а также ведущих нефтяных и газовых компаний мира, широким фронтом проводятся разведка месторождений, исследования фундаментальных свойств газогидратов и разработка технологии их добычи, производства и транспортировки.

Интерес к гидратам в разных странах непрерывно растает. По не самым оптимистическим оценкам мировые запасы метана, содержащиеся в них, огромны. Это подтвердили исследования месторождений гидратов в Японии и Канаде. Очевидно, что природные гидраты могут рассматриваться как будущий источник энергии и коренным образом изменить энергетическое равновесие в мире.

Иллюстрация

Концерт национального ансамбля

Гидраты обнаружены в Нанкайской впадине вблизи берегов Японии, открыты месторождения газовых гидратов на северном побережье Канады в дельте реки Макензи. Следует отметить, что исследование газогидратных залежей, расположенных в дельте реки Макензи, проводились в рамках совместного проекта США, Канадой, Японией и Германией. После завершения всеобъемлющей научной программы исследований данный проект вступил в стадию проведения технологических экспериментов, направленных на отработку методик добычи газа из газогидратной залежи. Проведены эксперименты по разложению гидратов в залежах путем снижения давления и закачки в пласт нагретой воды.

Наибольшее число докладов (63) было из Японии. Это связано с тем, что еще в 1995 году Япония приняла государственную программу по метановым гидратам.

Значительный практический интерес вызвали доклады, представленные фирмами "Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.", National Maritime Research Institute и Osaka University, японскими группами "Kobe Shipyard" and "Machinery Works", "Mitsubishi Heavy Industries Ltd." и рядом других организаций. Они посвящены разработке технологической цепочки транспортировки природного газа в форме газовых гидратов. Технологическая цепочка включает в себя получение гидрата природного газа, формирование пригодной для транспортировки формы, специальные судна для перевозки газовых гидратов и установку для их разложения. Интересная особенность разработок — методика получения газовых гидратов путем распыления воды в сжатый охлажденный газ.

52 доклада сделали специалисты из США, и они равномерно были представлены на всех 8 секциях конференции, из которых 5 секций были посвящены исследованию фундаментальных свойств газовых гидратов. Особо обратил на себя внимание доклад Лауры Штерн, в котором представлены экспериментальные данные по кинетике разложения гидратов метана в диапазоне температур 193-300 К при атмосферном давлении.

Работы по газовым гидратам проводятся в США в рамках национальной программы, разработанной совместно учеными и правительством. Она рассчитана на 15 лет.

Принятый в стране закон для координации работ по программе обеспечил устойчивый рост финансирования проводимых работ.

Интенсивно ведутся работы по газогидратам в Канаде (12 докладов), Франции (12 докладов), Норвегии (11 докладов), Англии (10 докладов), Китае (10 докладов) и Германии (8 докладов). Китай, Франция и Норвегия представили по 4 доклада на прикладную секцию "Образование гидратов и предотвращение их образование в трубопроводах".

Иллюстрация

Российские участники конференции

Россия представила на конференцию 10 докладов. Эта цифра, разумеется, не отражает объема работ, проводимых в стране. Научный потенциал, накопленный со времени открытия газовых гидратов сибирскими учеными Ю.Макогоном, А.Трофимуком и др., огромен, и в настоящее время интенсивно ведутся работы в Санкт-Петербурге, Москве, Челябинске, Новосибирске, Тюмени, Иркутске и Владивостоке. Во всем мире высоко оцениваются результаты, полученные сибирскими исследователями. Среди них наиболее активно работал профессор Ю.Дядин из ИНХ СО РАН. На конференции, после памятной речи о нем, все участники почтили память ученого минутой молчания в знак признания мировым сообществом его заслуг.

Значительный интерес вызвал устный доклад, сделанный учеником Ю.Дядина А.Манаковым, посвященный структурным исследованиям газовых гидратов при высоких давлениях. Доклад подготовлен совместно сибирскими (Институт неорганической химии СО РАН, Институт минералогии СО РАН) и уральскими (Институт физики металлов УрО РАН) учеными. Наиболее важным из представленных результатов можно считать открытие нового структурного типа газовых гидратов, существующего в условиях высоких давлений.

На секции "Термодинамика" работы по исследованию фазовых диаграмм гидратообразующих систем и теоретическому предсказанию условий гидратообразования индивидуальных газов и их смесей были представлены в докладах российских исследователей В.Истомина (ВНИИГАЗ, Москва), Е.Чувилина (МГУ, Москва) и в обзоре результатов лаборатории клатратных соединений Института неорганической химии СО РАН (Новосибирск). Сравнение представленных результатов с другими позволяет сделать вывод, что работы российских ученых не уступают мировому уровню.

Результаты совместных с проф. Ю.Кавазое из университета Тохоку (Япония) теоретических исследований электронных, динамических и термодинамических свойств газовых гидратов были показаны в трех докладах.

Отметим важный с экологической точки зрения доклад Р.Белослудова, Ю.Кавазое, В.Белослудова и Ф.Кузнецова, в котором обобщены результаты исследования стабилизации различными молекулами гостями различных гидратных полостей, выполненного на электронном уровне. Они служат одним из доказательств существования гидратов озона. Образование гидратов озона в верхних слоях атмосферы, как предполагается, может быть одной из причин образования озоновых дыр.

Два доклада были посвящены информационной системе и банкам данных по газовым гидратам.

В докладе Ф.Кузнецова и В.Белослудова дано описание структуры проекта создания информационной системы по газовым гидратам, выполняемого в рамках CODATA. Основная цель проекта — создание всеобъемлющей информационной системы по основным аспектам газовых гидратов.

В докладе T.Uchida, J.A.Ripmeester, S.M.Masutani and E.D.Sloan, Jr. изложена концепция общей базы данных, которая обсуждалась на международном семинаре по исследованию и разработке месторождений метановых гидратов "Горящий лед со дна морей" (Гаваи, 7-9 марта, 2001).

Во время работы конференции проходили два заседания международной рабочей группы CODATA. Группа была создана в рамках проекта CODATA в октябре 2000 г., и в нее вошли ведущие специалисты из разных стран. Главная цель рабочей группы CODATA по газовым гидратам — разработка основных принципов создания международной распределенной информационной системы данных по газовым гидратам. Руководитель группы академик Ф.Кузнецов (ИНХ СО РАН, Новосибирск) представил информацию о проекте по созданию многопрофильной распределенной информационной системы большого размера по природным газовым гидратам. В основе общей концепции информационной системы лежит мультидисциплинарная система с согласованными форматами.

Распределенный характер информационной системы означает, что она будет состоять из частей, создаваемых и поддерживаемых отдельными научными группами, с возможностью обмена информацией между ними. Предполагаемыми пользователями будут как сами ее создатели, так и широкий круг ученых, администраторов, студентов. Представленный проект вызвал большой интерес среди участников конференции.

4-я международная конференция, как и предыдущие три, позволяет сделать вывод, что природные газовые гидраты — один из основных факторов, которые будут определять развитие человечества в XXI веке.

стр. 

 

Наука в Сибири
N 20 (2356)
24 мая 2002 г.

ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ХИМИИ

Поиски путей интеграции неорганической химии с химией живого.

Святослав Габуда
доктор физико-математических наук
Институт неорганической химии

Известно, что все живые организмы примерно на 90% состоят из воды. Преобладает точка зрения, что эта вода — необходимая, но пассивная среда, обеспечивающая протекание всех жизненно важных биохимических превращений и реакций. Мнение о чисто пассивной роли воды в биологических системах впервые было поколеблено в 1961 году, когда Лайнус Полинг, Нобелевский лауреат и автор одного из наиболее авторитетных учебников по общей химии, опубликовал в журнале "Nature" результаты анализа влияния анестетиков на прохождение сигналов болевой чувствительности.

Анестетики — это вещества, нарушающие прохождение сигналов болевого ощущения у высших организмов. К их числу относятся простые вещества — закись азота, или "веселящий газ", четыреххлористый углерод, сероуглерод и даже инертные газы — ксенон, аргон и др. Было установлено, что парциальное давление паров анестетика, соответствующее порогу болевой чувствительности у мышей in vivo, прямо пропорционально давлению кристаллизации гидрата данного анестетика при 0 градусов Цельсия in vitro. Отсюда следует, что образование гидратов связано с самой основой жизнедеятельности, а именно, с молекулярным механизмом функционирования биологических триггеров, или переключателей, ответственных (в данном конкретном случае) за включение сигналов болевой чувствительности в живом организме.

Клатраты — кристаллические гидраты анестетиков

Типичная клетка из молекул воды в кристаллической структуре гидрата диэтиламина ДЭА (раздражающее средство; репеллент). Элементарная ячейка структуры содержит 12 молекул ДЭА и 104 молекулы воды. Выше температуры плавления (-10оС) раствор ДЭА-вода остается однородным. Предполагается, что в растворе структура клеток из молекул воды сохраняет свой характер и является типичной для водных растворов других неэлектролитов, например, этилового спирта.

Рентгеноструктурные исследования показали, что перечисленные выше молекулы анестетиков в кристаллических гидратах находятся в пустотах (или клетках) каркаса, построенного из молекул воды. С химической точки зрения это так называемые соединения включения, в которых два компонента соединены "механически" без образования настоящих химических связей. По этой причине их называют также клеточными соединениями, или клатратами (от греческого — "клетка"). Первое из них — гидрат хлора, обнаружено еще в 1803 знаменитым Хемфри Деви, учителем М.Фарадея. В первой половине XX в. появились аналогичные соединения инертных газов аргона и ксенона (1896 и 1925 гг.), метана и многих других веществ.

Вплоть до работы Л.Полинга, клатратные соединения рассматривалось лишь в качестве курьеза, не имеющего практического значения. Теперь оказалось, что хрупкие клатратные гидраты могут иметь самое прямое отношение к операциям включения и выключения передачи сигналов в такой важнейшей биологической системе, как мозг, или к бионике — гипотетическому аналогу электроники. Но существование кристаллических клатратных гидратов в условиях живого организма теплокровных животных не удавалось подтвердить ни прямыми наблюдениями, ни косвенными оценками.

Открытие клатратов в водных растворах

Неожиданное решение данная проблема получила в Институте неорганической химии СО РАН в рамках плановых фундаментальных исследований в области физико-химического анализа сложных экстракционных систем. В работах, выполнявшихся под общим руководством академика А.Николаева (в этом году мы отмечаем столетие со дня рождения ученого) в 1970-75 гг. впервые обнаружили жидкое состояние клатратов. Фактически было установлено существование нового класса клатратных систем, способных существовать не только в кристаллическом состоянии, но и в расплаве — в форме клатратных гидратов в растворах неэлектролитов.

Наиболее важные и принципиальные особенности обнаружены при детальном исследовании диаграмм растворимости бинарных систем вода — экстрагент (экстрагенты — амины различного строения, аминоксиды, фосфаты, фосфо- и фосфинаты, фосфинокиси с различными радикалами, сложные эфиры и др.). В противоположность существовавшему мнению о том, что эти соединения образуют гидраты простейшей стехиометрии, были открыты твердые гидраты с большими гидратными числами. Подробное изучение привело к выводу об их клатратной природе. Обнаруженное явление было общим и сопровождалось наличием на кривой расслаивания жидкостей либо нижней критической точки, либо даже замкнутых кривых расслаивания. Температурные пределы устойчивости гомогенного состояния жидкой фазы клатратов закономерным образом понижаются при увеличении гидрофобности молекул неэлектролитов (показано на примере аминов), и повышаются при увеличении их гидрофильности (на примере ряда полиэфиров).

Эти результаты обобщены в монографии А.Николаева и И.Яковлева "Клатратообразование и физико-химический анализ экстракционных систем" (Новосибирск, Наука, 1975), отмеченной премией АН СССР имени Н.С.Курнакова (1977 г.). Высказана гипотеза о том, что нижняя критическая температура растворения обусловлена разрушением клатратной структуры (за счет водородных связей воды) соответствующего гидрата экстрагента. Большое влияние клатратообразования на вид кривых расслаивания объясняет во многом различие растворимости экстрагентов в воде и водных растворах, так как явление клатратообразования необычайно чувствительно к стерическим особенностям неэлектролита. Открытие клатратных гидратов в системах экстрагент — вода положило начало развитию новых фундаментальных направлений — супрамолекулярной и клатратной химии.

Особые свойства критического состояния

Важнейшая особенность поведения растворов вблизи критических точек расслаивания — сильно выраженные эффекты нелинейности. Эта особенность существенна для протекания химических реакций вблизи критического состояния, поскольку эффект нелинейности эквивалентен влиянию катализатора, ускоряющего (или тормозящего) только определенный тип реакций. В этой связи заслуживают более детального рассмотрения сами свойства критического состояния.

Понятие о критическом состоянии вещества впервые введено Д.Менделеевым в 1860 г. при описании равновесия жидкость—пар. Известно, что температура кипения растет при увеличении давления, но при этом уменьшается скачок объема, занимаемого одним молем вещества (жидкости или пара). Температура и давление, при которых скачок объема обращается в нуль, названа критической точкой на диаграмме давление — температура ("р-Т-диаграмма"). Можно утверждать, что в критической точке исчезает различие между жидкостью и паром.

Поведение расслаивающихся растворов в широком интервале температур и концентраций компонентов во многом сходно с поведением системы жидкость—пар. Следует отметить, что в многочисленных исследованиях установлено существование глубокой аналогии между явлениями расслоения растворов и кипения жидкостей, известное как "гипотеза универсальности" Л.Каданова, сформулированная следующим образом: "...все фазовые переходы обладают идентичным поведением в критической области, меняется лишь наименование переменных" (Л.Каданов, в кн. "Квантовая теория поля и физика фазовых переходов", Мир, 1975, с.11).

По мере приближения к критическому состоянию уменьшается коэффициент диффузии, на что впервые обратил внимание еще в 1903 г. выдающийся русский физико-химик Д.Коновалов. А это, очевидно, должно приводить к замедлению химических реакций, и, следовательно, является нелинейным элементом. Можно предполагать, что ферментативные строго контролируемые управляемые биохимические реакции, лежащие в основе жизнедеятельности, в некоторых случаях протекают вблизи критической точки расслоения воды и растворенных в ней органических веществ. В связи с этим становится более понятным, почему установленная Л. Полингом чувствительность биохимической системы передачи нервного импульса к влиянию анестетиков оказалась столь тесным образом связанной с явлениями клатратообразования.

Эксперименты по фракционированию изотопов

Результаты изучения экстракционных систем и свойств критического состояния представлялись далекими от проблем классической теории химической эволюции. Эта теория, сформулированная Нобелевским лауреатом Ильей Пригожиным, связывает возникновение высокоупорядоченных биохимических систем из первобытного беспорядка с влиянием сильной неравновесности протекающих процессов. Один из основополагающих фактов этой теории — данные о способности живых организмов избирательно ассимилировать изотопно-легкие формы соединений. Однако, в 1973-82 гг. в работах академика Э.Галимова (ГЕОХИ РАН) и ряда зарубежных авторов была обнаружена неожиданная закономерность, давшая начало новому пониманию природы биологического фракционирования изотопов, и противоречившая представлениям о принципиальной неравновесности биологических систем. Суть этой закономерности заключается в том, что распределение изотопов по различным структурным позициям в биомолекулах как раз соответствует равновесному характеру распределения, и не согласуется с представлением о принципиальной неравновесности биологических систем (Э.Галимов. Вестник АН СССР, N 10, 1982). Закономерность эта носит универсальный характер. Она присуща соединениям разного строения и состава, организмам разной экологической и таксономической принадлежности, проявляется как на межмолекулярном, так и на внутримолекулярном уровне.

Микроскопический механизм возникновения подобной обратимости, вероятно, может быть связан с замедлением диффузии вблизи критического состояния. В ИНХ СО РАН под руководством проф. Э.Матизена проводились эксперименты по изучению диффузии в смеси СО2-Ar методом капилляра вблизи критической точки. Было высказано предположение о том, что вблизи критической точки в диффузионном процессе могут участвовать рои молекул, или кластеры примеси размером порядка радиуса корреляции. Гипотеза о кластерном механизме диффузии в непосредственной близости от критической точки была подтверждена в работах по изучению рассеяния света.

Живое с точки зрения химии

Результаты изучения эффектов анестезии и распределения изотопов в биологических системах позволят уточнить и прояснить наиболее общие характеристики элементарного акта химической передачи сигналов в биологических системах. Будучи в своей основе существенно физико-химическими, эти характеристики оказываются весьма нетривиальными, а их дальнейший анализ может иметь практические последствия для ряда областей — от медицины и наркологии до самовоспроизводящихся химических машин и автоматов футурологии. Если работа триггеров в подобных автоматах будет базироваться на нелинейных свойствах критического состояния, то вероятно, что подобное самовоспроизводящееся устройство будущего придется рассматривать как истинно "живое" (с точки зрения химии), независимо от используемой конкретной "элементной базы". Главное, чтобы критические флуктуации концентраций веществ были самоподдерживающимися, и включали способность к самокопированию.

стр. 

Наука в Сибири

N 14 (2350)
5 апреля 2002 г.

Данилу ДЫБЦЕВУ, кандидату химических наук, научному сотруднику Института неорганической химии СО РАН присуждена премия им. академика А.В.Николаева за работу "Халькогенидные кластерные комплексы молибдена и вольфрама и супрамолекулярные соединения на их основе".

 

С лауреатом престижной СОАНовской премии беседует наш корреспондент Людмила ЮДИНА.

- Данил Николаевич, ваша работа выполнена, можно сказать, в русле новейших тенденций, ибо именно супрамолекулярная химия в настоящее время определяет основные направления развития химии классической.

- Это естественно, ибо она охватывает различные области науки - органическую и неорганическую химию, физическую химию, биологию, физику, теологию, микроэлектронику и т.д., взаимно обогащаясь, приобретает широкий спектр самых разнообразных возможностей. Если объекты классической химии - молекулы, то супрамолекулярной - супермолекулы и супрамолекулярные ансамбли. Она изучает, как из отдельных молекул образуются эти самые сложные структуры, исследует возможности более эффективного их соединения.

- Вам удалось создать свой супрамолекулярный материал, используя молекулярные "строительные блоки" больших размеров?

- Да, новое супрамолекулярное соединение. Мы вели междисциплинарное исследование, объединив разные науки, в частности, органическую и неорганическую химию. Неорганическая часть - это халькогенидный кластер, а органическая - кукурбитурил.

- Халькогенидные кластеры известны давно, а что представляет из себя кукурбитурил?

- Это такая огромная, длинная молекула в виде бочки. Если ее название полностью записать, она займет строчки четыре. Еще ее внешний вид напоминает тыкву (по латыни Cucurbitus - тыква, отсюда и пошло название). Соединение было впервые получено в 1905 году немецким химиком Р.Берендом, однако методы того времени не позволили правильно определить его состав и структуру. Лишь совсем недавно строение кукурбитурила было исследовано методом рентгеноструктурного анализа. Это соединение легкодоступно, устойчиво, растворимо в кислотах и щелочах и имеет сильную тенденцию к координации различных частиц, что делает его удобным исходным реагентом для синтеза разнообразных супрамолекулярных соединений.

Мы решили, что молекула кукурбитурила подойдет к нашему кластеру, за счет системы комплементарных взаимодействий. Как ключ к замку. И работали в этом направлении почти три года.

- Получилось, что задумали?

- К счастью, да. Нечасто бывает, что красивая идея так же красиво реализуется. Нам повезло. Между молекулами образовались новые взаимодействия, и в результате получилось новое соединение.

- А если еще поискать в этом направлении?

- Если копать дальше, то, думаю, получится много интересного. Перспективы широчайшие.

- И в плане практической реализации?

- Любое фундаментальное исследование в конечном итоге дает практические выходы. Эти соединения наверняка будут использоваться для получения катализаторов процесса гидроочистки нефти. Работами в области супрамолекулярной химии у нас сейчас все больше занимается молодежь, так что время у нас есть.

- За границу перебираться не собираетесь?

- Совсем - нет! Это однозначно. Мне здесь интересно. Поехать, поработать - конечно можно. Но зачем же уезжать?

- В зарубежных командировках бывали, наверное, не раз?

- Краткосрочных, в сотрудничающих с нами лабораториях.

- И кто же с вами сотрудничает?

- Есть много совместных статей с профессором, членом Королевского Общества, Сайсом из Великобритании, с коллегами из Германии, Испании...

- Как за рубежом оценивают полученные в Сибири результаты?

- Высоко оценивают. Одно из убедительных подтверждений тому - рейтинг журналов, в которых статьи опубликованы.

- Выполненная работа оценена по достоинству. Что дальше?

- Расширять рамки объектов. Можно попробовать менять в полученных соединениях органическую часть, поварьировать неорганическую. Можно добавить еще какие-то компоненты, чтобы придать новые свойства.

- А есть у вас интересы кроме науки?

- Конечно! Спорт, музыка, девушки! Стараюсь успевать везде.

- По всему видно, все в жизни у вас складывается, как надо!

- Не жалуюсь!

* * *

Когда в недавней беседе с заместителем директора Института неорганической химии СО РАН, доктором химических наук В.Фединым я упомянула о Даниле Дыбцеве, Владимир Петрович тут же выдал в его адрес множество высоких оценок, из которых следовало, что это весьма умный и талантливый молодой человек: был отличным студентом, в срок защитился, замечательно работает. И результаты, полученные им, уникальны - недаром опубликованы в престижнейших из научных журналов. Еще замдиректора заметил, что Данилу, конечно же, следует годик-другой поработать за границей. И он, Владимир Петрович, даже посодействовал этому - Д.Дыбцев в скором времени поедет в Южную Корею к известному ученому, профессору Киму. А что он вернется - нет сомнения!

стр. 

 

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.

С.Габуда — д.ф.-м.н., лауреат Государственной премии.

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").

Открытие семинара. Заместитель директора ИХТТ УрО РАН д.х.н. А.Ивановский и директор ИНХ СО РАН академик Ф.Кузнецов.

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

Обсуждение вопросов термодинамики. Зав.лабораторией ИВТЭ УрО РАН д.х.н. В.Обросов.

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

На стендовой сессии.

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.