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. 

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.