Филип Болл
(перевел с английского кандидат физ.-мат. наук А. В. Хачоян)
«Химия и жизнь» №1, 2006
- Alter ego атома
- Поиски суператомов
- Комментарий переводчика
Поиски суператомов
Найденные закономерности вдохновили группу Кастельмана на тщательное «прочесывание» Периодической таблицы. В результате обнаружилось, что странные и даже драматические изменения химических свойств характерны также для кластеров из атомов кислорода и ванадия.
Разумеется, читатель уже вправе спросить, в чем помимо чисто научного интереса важность полученных результатов и зачем, собственно, надо имитировать кластерами химические свойства тех же атомов брома, если в природе они уже существуют? Вот лишь одна причина: из суператомов можно будет делать материалы принципиально новых типов, включая и так называемые набухшие кристаллы (expanded crystals). Напомню, что в обычных кристаллических решетках (например, в кристаллах поваренной соли) атомы располагаются подобно апельсинам в ячейках стандартного лотка на прилавке с фруктами. В набухших кристаллах ячейки могут быть заняты сверхатомами, что, возможно, позволит придать материалам совершенно новые свойства.
Кстати, еще в начале 1990-х годов выяснилось, что кристаллы из фуллеренов С60, допированные ионами металлов, ведут себя весьма необычно. В частности, температуру их перехода в сверхпроводящее состояние можно увеличить просто за счет добавления в решетку большего числа ионов. Температура перехода при этом всё же остается очень низкой, но интересна принципиальная возможность.
Сверхатомы могут стать перспективным направлением исследований. Физик Шив Ханна (из Университета Содружества в штате Вирджиния), сотрудничающий с группой Кастельмана, считает, например, что замена атомов йода в токопроводящих полимерах на суператомы алюминия может значительно повысить электропроводность таких материалов. Впрочем, далеко не все исследователи разделяют его оптимизм. Как отмечает Веттен, «многие физики, особенно теоретики, весьма скептически относятся к возможностям создания кристаллических материалов с суператомами алюминия в узлах решетки». Однако он же добавляет, что «какие-то из проектов могут оказаться успешными». Сам Кастельман уверен, что «технические сложности обусловлены тем, что у физиков просто нет достаточных навыков для синтеза новых материалов», а химики-профессионалы сумеют преодолеть все проблемы и создать из кластеров материалы с заданными характеристиками.
Еще одна группа практических разработок по суператомам направлена на то, чтобы найти способ временной маскировки их необычных свойств. Например, алюминий считается перспективной добавкой к твердым ракетным топливам, так как при его сгорании выделяется большое количество тепла. Однако на практике его почти не используют, поскольку алюминиевая пудра химически очень активна и часто окисляется еще до того, как топливо поступает в камеру сгорания. Кастельман предлагает использовать не алюминий, а кластеры ионов Аl13, которые, подобно атомам благородных газов, не реагируют с кислородом. Идея заключается в том, чтобы соединить кластеры с какими-либо горючими органическими соединениями, которые можно примешивать к топливу. По мнению Кастельмана, такое соединение будет устойчивым, пока горение не оторвет от него лишний электрон, — только тогда кластер потеряет маскировку и превратится в исходную, активную форму. До практического применения идеи пока далеко, но она уже настолько заинтересовала ВВС США, что они согласились финансировать дальнейшие разработки в этом направлении.
Для химиков практические применения, описанные выше, не столь важны. Ценность суператомов для них — прежде всего в самой возможности влиять на свойства химических элементов, которые всегда считались чем-то абсолютно неизменным. Химики вдруг осознали, что существует подход, позволяющий управлять реакционной способностью элементов или даже изменять ее. Это похоже на алхимию, но связано не с магией, а лишь с умением отсчитывать атомы поштучно и манипулировать ими.
-
Статья -- замечательная. Практическое значение работ (включая и области, стыковые с другими отраслями техники)-- трудно переоценить.
Вот только потребности вводить термин "суператом" не вижу. С моей точки зрения неспециалиста (химию изучал только в школе, правда, увлекался; по образованию -- физик-оптик, а работаю в последнее время в области кабельных и спутниковых линий связи), описанные группы атомов вкладываются в понятие молекул и аллотропических разновидностей простых веществ. Простых, правда, по количеству разновидностей их составляющих атомов (т.е. хим.элементов), а по структуре... дальше (со временем) будет еще сложнее. (К структуре вернемся ниже). Никого же не удивляют различия в свойствах молекулярного кислорода и озона -- они известны и широко используются. Молекулярный азот во многих случаях ведет себя как инертный газ (как-никак, молекула с тройной связью!), и не идет ни в какое сравнение с атомарным азотом -- сильным окислителем. В любом учебнике по неорг. химии упоминается сходство иона CN- (извините, верхние и нижние индексы не проставляются) с анионами галогенов, а в любом учебнике по орг. химии -- особые свойства бензольного ядра (чем не "суператом", даже шесть электронов, если не 18, образуют особую ковалентную связь, отличающуюся от "парно-межатомной", только суператом этот, в отличие от Al 13 и N2, не инертный, а шестивалентный). Можно вспомнить также парочку атомов углерода в молекуле ацетилена -- свойства особые, правда, отличаются не стабильностью, а прямо противоположными свойствами.
Можно еще пару примеров из неорганической химии. Общеизвестный сульфат-ион SO4 2- (очень устойчив к разрушению; некоторые авторы приводят его как пример своего рода "предельного случая" комплексных ионов, предельный случай -- потому, что "голый" ион S 6+ не существует, по крайней мере в водных растворах, да и ион O 2- тоже мгновенно реагирует с ближайшей молекулой воды, давая 2 OH- ). А если вместо четырех атомов кислорода будут 4 атома S, то это будет ион далеко не столь устойчивый, но все его 5 атомов -- атомы одного и того же элемента, серы.
Сходство молекулы с "уткой по-пекински" также представляет собой один из краеугольных камней атомно-молекулярного учения, однако автор правильно делает, что напоминает об этом сходстве, т.к. объясняя что-либо новое, следует "привязываться" к ранее известным фактам.
Правда, со временем, может быть, будут получены вещества с ионизацией за счет не только внешних электронных оболочек атомов (у элементов побочных подгрупп это уже давно известно, да и вообще нет четкого различия между внешним p-подуровнем и соседним с ним d-подуровнем, однако получить более-менее устойчивое вещество с ионами Na 2+ или K 2+ -- это будет событие!). Однако даже это не сильно уменьшит сходство молекулы/иона/атома с "уткой по-пекински": до устойчивой ионизации 1s-уровня атомов элементов середины таблицы Менделеева доберутся не скоро. Области науки и техники, где внутренние электронные слои "работают" и играют важную роль, относятся даже не к химии в традиционном понимании, а к атомной физике (лазеры, эффект Оже и др.) и к радиохимии.
Как известно, в узлах кристаллической решетки иода располагаются двухатомные молекулы. Молекулярные кристаллы образует также бесчисленное количество органических веществ, в том числе и вещества с довольно сложными молекулами. Так что не удивительно, что подобным образом ведут себя и молекулы Al 13 или Na8 (здесь индексы 13 и 8 -- нижние).
Среди веществ с молекулярной решеткой есть вещества, фрагменты молекул которых могут находиться то в одном, то в другом состоянии (ориентация какой-либо группы атомов, разнос зарядов внутри молекулы или что-то еще). Думаю, что поиск таких веществ, достаточно стабильных и более удобных с точки зрения управления состоянием отдельной молекулы -- это одно из магистральных направлений развития нанотехнологий (как-никак, готовый массив ячеек памяти того или иного назначения, регистров, разрядных звеньев счетчика, и т.д, и т.п.). (Сам я, к сожалению, с работами по нанотехнологиям не знаком).
Возможно, что существует уровень организации вещества, промежуточный между молекулярным/ионным/атомным и макрокристаллическим/макро-жидкостным: такие себе структурные единицы из десятков, сотен или тисяч молекул, обладающие внутренней упорядоченностью и взаимодействием между молекулами, более сильным, чем имеет место между двумя молекулами, входящими в два различных такого рода образования. В частности, упорно циркулируют статьи о структуре воды, называются даже количества молекул в одном таком блоке (встречалась, в частности, цифра 912, предполагалось начичие целого ряда относительно стабильных состояний "блока", т.е. возможность записи информации и последующего "считывания". Автора статьи, ее названия и издания, к сожалению, не помню).
На этом -- пока все. Благодарю за поднятую интересную тему. Впрочем, журнал "Химия и жизнь" всегда этим отличался.
С уважением,
Александр Сикса,
Украина, г. Киев, компания РКИ (RCI)
