Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы

     Другие  примеры пространственно-временной  организации химических процессов: периодическое образование твердых  осадков при смешении двух реагирующих  веществ (кольца Лезинганга), периодическая реакция Белоусова-Жаботинского, автоколебания скорости гетерогенно-каталитических реакций.

     Многие  важные процессы нельзя осуществить  в рамках обычной «неорганизованной» химии. Так, фотосенсибилизированное  разложение воды на водород и кислород (абиогенный фотосинтез) предполагает осуществление трех основных элементарных стадий: фотогенерированное разделение зарядов, то есть образование разделенных в пространстве электронов и дырок; взаимодействие электрона с молекулой воды и восстановление воды до водорода; взаимодействие дырки с молекулой воды и окисление воды до молекулярного кислорода. При этом необходимо организовать процесс таким образом, чтобы предотвратить рекомбинацию электрона и дырки, а восстановление и окисление воды обеспечить на разных катализаторах. Подводя некоторый итог, можно сказать, что поворот химии как науки к молекулярной и надмолекулярной организации реагентов начался со второй половины этого века, и теперь она одна из главных, устремленных в будущее линий внутренней организации химии. Есть основания полагать, что в будущем «организованная» химия займет достойное место в химической науке и технологии.

     Простейшим  микрореактором, в котором происходит реакция, является Ван-дер-Ваальсова  молекула. Существует огромный набор микрореакторов разной природы, масштаба и молекулярного порядка: комплексы, кристаллосольваты, газогидраты, соединения – включения, макромолекулы, полости цеолитов и пористых сред, мицеллы и везикулы. В микрореакторах изменяются молекулярная динамика реагентов, механизм и скорости химических реакций, рК кислот и оснований, локальные заряды и их распределение, потенциалы и их сродство к электрону, конфигурации и реакционная способность. В них реализуются новые «принудительные» реакции, проявляются и другие аномалии.

     К двумерным микрореакторам относятся: двойной электрический слой, мономолекулярные слои (Ленгмюра-Блоджетт), мембраны (биологические  и искусственные), межфазные границы, адсорбционные слои реагентов на твердых телах («двумерное» зональное  реагирование) и др.

     Классический  двумерный реактор – двойной  электрический слой – в настоящее  время обрел «новую жизнь» в режимах  высокого временного разрешения (»10-12–10-9 с.). Главным действующим лицом  в таком микрореакторе является электрон – свободный и сольватированный. Его химическое поведение – предмет особого интереса в связи с генерацией электрических потенциалов и моделирования потенциалов «природной» химии. Представляют интерес также и потенциалы на границе жидкость-жидкость.

     Большим разнообразием отличаются кластерные микрореакторы. Они бывают атомными, молекулярными, ионными, ионно-молекулярными и металлоорганическими, заряженными, нейтральными. Они формируются в газах (например, в расширяющихся сверхзвуковых атомно-молекулярных пучках), в каналах цеолитов (например, кластер In8), в жидкостях, на твердых поверхностях и т.д.

     Велико  значение кластеров в химическом материаловедении (кластерные материалы  с необычной физикой и механикой), в химической аналитике и диагностике (детекторы и сенсоры), а также  в других областях прикладной химии.

     Главной, фундаментальной проблемой в  химии кластеров остаются размерные  эффекты. Это интригующий вопрос – как свойство индивидуальных частиц при объединении эволюционируют в свойство фазы, как построены  и как строятся мосты между миром отдельной молекулы и макроскопическим миром вещества? Размерные эффекты настолько разнообразны и неожиданны, что общее решение проблемы отсутствует. Методы квантовой химии и молекулярной динамики успешно отвечают лишь на частные вопросы.

     Кластеры по-прежнему остаются загадочными объектами. Так, атом Re инертен в реакции с CH4, а кластер Re3 активен, линейные кластеры Cu3 и Ni3 не реагируют с H2 и CH4, а кластер треугольной структуры реагирует легко и быстро; кластер Con активен в реакции с Н2 при n=3, 10 или 12, а при всех других значениях n инертен. Можно привести массу других примеров, показывающих, что кластеры по-прежнему остаются загадочными объектами.

     Кластерная  химия открывает новую стратегию  в гетерогенном катализе, особенно в комбинации с туннельной сканирующей микроскопией. Игла микроскопа способна «копать» любые атомы в любом числе на любые грани, ребра, террасы любого кристалла, создавая разнообразные каталитические реакторы и позволяя тестировать на них любые реакции. Это новое дыхание фундаментальной науки о катализе, ее будущее.

     Распространенность, а, следовательно, значимость кластеров  существенно больше, чем представлялось до недавнего времени. Так, было обнаружено, что жидкий аммиак кластеризован: он состоит из кластеров (NH3)7 – одна молекула в центре, остальные на периферии. Хорошо известна кластерная структура жидкой воды: молекулы воды объединяются в гекса, пента и тетрамеры с близкими по энергии структурами типа призмы, клетки, «раскрытой книги». Жидкие растворы этанола в воде также неоднородны: они составлены из кластеров воды и спирта. Примечательно, что при содержании спирта в воде » 40% доля кластера воды и спирта сравниваются. В жидком бензоле также обнаружены признаки кластеризации. Возможно, что это общее явление, и тогда все жидкофазные реакции следует трактовать как реакции в микрореакторах. 

     5. ХИМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

     Химия является главным создателем материалов для всех отраслей науки и производства – от техники и металлургии  до сельского хозяйства и медицины: в этом смысле химия стоит в центре науки. Разработка и создание новых веществ, препаратов и материалов, а также усовершенствование известных и существующих – главная задача современной химии. Она включает в качестве составных элементов синтез новых веществ и материалов, исследование их свойств и анализ поведения в различных условиях и режимах использования или эксплуатации. Эту область химии можно обобщенно называть химическим материаловедением.

     Традиционной  и всегда актуальной задачей остается создание сверхпрочных неорганических материалов: стеклокристаллических материалов – ситаллов, керамики. В этом направлении достигнут значительный прогресс – созданы высококачественные оптические, термостойкие, полупроводниковые стекла с высокой механической прочностью, получены пленочные и чешуйчатые стекла, обладающие высокой эластичностью, тепловой и электрической прочностью. Разработаны способы получения пористых стекол с заданным диаметром пор и каналов (до 10 A и меньше), которые могут использоваться как фильтрующие материалы (в частности, для фильтрации биомолекул, вирусов и т.д.).

     Получены  новые типы керамик с высокой  механической, химической и электрической  прочностью, с малым коэффициентом  термического расширения: керамика становится незаменимым материалом для технических, электро— и радиотехнических целей. Получены стеклометаллы – аморфные, стеклообразные металлы, обладающие высокой химической стойкостью и стабильностью по отношению к коррозии.

     Большие перспективы имеют композиционные неорганические материалы, в частности, волокнистые композиты с металлической и керамической матрицей. Это уникальные материалы, удовлетворяющие двум противоречивым требованиям – повышению прочности при одновременном увеличении трещиностойкости. Например, бороалюминиевый композит, созданный в Институте физики твердого тела АН СССР, имеет прочность в направлении армирования 100-15— кГс/мм2, модуль упругости ~25000 кГс/мм2, плотность 27 г/см3, т.е. этот материал имеет механические свойства хорошей стали, а плотность – алюминия. Волокнистые керамические композиты характеризуются работой разрушения, на порядок, превосходящий работу разрушения лучшей однородной керамики. На их основе можно создавать легкие композиты, выдерживающие жесткие тепловые и механические режимы эксплуатации. Актуальны задачи создания легированных и коррозионно-устойчивых сплавов и материалов, неорганических полупроводников, фоторезисторов, приемников и фотоэлектрических преобразователей с высоким квантовым 17 выходом преобразования и высокой селективностью и чувствительностью к различным областям оптического спектра, создание пьезо-, сегнетоэлектриков и других материалов для акустоэлектроники.

     Необходима  разработка и создание новых минеральных  удобрений с высокой питательностью, усваиваемостью и оптимальным составом микроэлементов; новых каучуков на основе полиуретанов и полисилоксанов, фторкаучуков и т.д., обладающие высокой термо— и хемостойкостью, морозостойкостью и хорошими упругими и релаксационными свойствами; новых пластмасс, смол, ионообменных материалов, адсорбентов, стабильных и долговечных смазок и вязкостных присадок, способных значительно снижать трение; лаков, обеспечивающих высокую адгезию покрытия и высокую электроизоляционные и коррозионно-защитные свойства; клеев, герметиков, поверхностноактивных веществ, покрытий; пористых и фильтрующих материалов для разделения и очистки веществ в пищевой промышленности, технике, медицине; прочных волокон – синтетических и природных, модифицированных и т.д.

     Важной  задачей является усовершенствование и создание новых пигментов, люминофоров, сцинтилляторов и лазерных генерирующих материалов. Остается актуальной задача создания фотостойких красителей. Необходим синтез новых веществ для химических источников света, т.е. веществ, способных подобно люминофору или оксетану с высокой эффективностью преобразовывать химическую энергию в энергию светового излучения.

     Большое место в современном материаловедении принадлежит полимерным материалам и их новым модификациям – полимерным композитам.

     Уже созданы разнообразные композиты, армированные органическими и неорганическими волокнами – стеклянными, борными, асбестовыми, графитовыми, а также волокнами на основе нитрида бора, TiO2, Al2O3 и др. Разнообразие композитов обеспечивает возможность получения широкого диапазона ценных свойств – электрической прочности, хемостойкости, упругости, механической прочности к сдвиговым и смещающим деформациям, пластическому течению и т.д.

     К полимерным композитам примыкают наполненные (как правило, неорганическими добавками) и дисперсно-упрочненные полимерные материалы. Важной особенностью всех композитов является то обстоятельство, что при их создании можно избежать стадии получения материала и сразу формировать изделие. 

     6. КЕРАМИКА В ПРОШЛОМ, НАСТОЯЩЕМ И БУДУЩЕМ 

     Когда несколько лет назад средства массовой информации распространили прогноз о скором наступлении керамической эры, которая в истории человеческой цивилизации займет место, сопоставимое с каменным или бронзовым веком, все понимали гиперболичность такого сравнения. Но оно свидетельствовало о несомненном интересе к керамическим материалам. Одним из таких материалов является нитрид кремния, высокотемпературная прочность, химическая стойкость и мягкость которого позволила создавать двигатель внутреннего сгорания с рекордно высокой (1400 °С) температурой рабочей камеры, что дало возможность повысить в 1,5 раза КПД двигателя, существенно снизить расход топлива и уменьшить загрязнение окружающей среды благодаря его более полному сгоранию.

     Понятие «керамика» в последнее время  трансформировалось. Сейчас под керамикой понимают любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Это определение исключает из числа керамических материалов стекла, хотя нередко и их рассматривают как разновидность керамики.

     В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная  широким диапазоном ее разнообразных  физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более  высокотемпературной области, чем  металлы, например температура плавления карбида гафния (3930 °С) на 250 °С выше, чем у вольфрама.

     У распространенных керамических материалов (оксидов алюминия, магния, тория) термическая  устойчивость намного превышает  устойчивость большинства сталей и  сплавов. Модуль упругости керамических волокон на порядок выше, чем у металлов.

     Важнейшими  компонентами современной конструкционной  керамики являются оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния, нитриды  кремния, бора, алюминия, карбиды кремния  и бора.

     Перспективность керамики обусловлена многими факторами, среди которых наиболее важны  следующие:

     1. Керамика отличается исключительным  многообразием свойств (многофункциональностью) по сравнению с другими типами  материалов (металлами и полимерами).

     2.Важным достоинством керамики является высокая доступность сырья.

     3.Технология  получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных  металлических материалов.

     4. Производство керамики, как правило,  не загрязняют окружающую среду в такой мере, как металлургия, а сами керамические материалы позволяют принимать экологически оправданные технологические и технические решения.

     5. Получение керамики более безопасно,  чем производство альтернативных  металлических материалов.

     6. Керамические материалы более  долговечны в агрессивных средах.

     7. Керамические материалы обладают  большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, и это  позволяет их использовать в  медицине, как для имплантации  искусственных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биологии и генной инженерии.