Филип Болл
(перевел с английского кандидат физ.-мат. наук А. В. Хачоян)
«Химия и жизнь» №1, 2006

Комментарий переводчика

Что общего между суператомом и уткой по-пекински?

За последние десятилетия многие физикохимики сталкивались с проблемами разнообразных аномалий, проявляющихся при изучении сверхмалых частиц. Практически всегда дело сводилось к поискам каких-то посторонних причин этих аномалий. Причины, естественно, всегда находились: неувязки списывали на влияние окружения, недостаточную чистоту образцов или неправильную трактовку результатов измерений. На самом деле собака была зарыта чуть глубже, а именно в изменениях свойств самого вещества при очень малых объемах образцов.

Открытие новых закономерностей всегда открывает и новые возможности. Легко представить себе кучу технических применений описываемых эффектов, начиная с кристаллической решетки, сформированной из фуллеренов и кластеров урана-235 (точнее, фуллеренов с заключенными внутри кластерами урана) до сверхспецифических катализаторов со специально сконструированными электронными оболочками.

Кстати, интересно отметить неожиданную связь описываемых эффектов с теорией, за которую в этом году была присуждена половинка Нобелевской премии по физике. Ее получил американец Рой Глаубер, который еще в 1963 году разработал «квантовую теорию оптической когерентности». В соответствии с этой теорией сверхмалые количества частиц света (буквально несколько фотонов) ведут себя подобно целостному объекту. Взаимодействие такой группки фотонов с веществом закономерно отличается от того, что следует ожидать по классической квантовой механике. Глауберу удалось получить статистическое распределение таких отклонений и построить теорию взаимодействия с веществом очень малых импульсов лазерного излучения. Вторую половину премии разделили между собой Джон Холл и Теодор Хенш за ценные практические применения этой теории.

С точки зрения физики наиболее важными представляются следующие два обстоятельства. Во-первых, суператомы каким-то чудесным, поистине алхимическим способом переносят в микроскопический мир некие непонятные пока правила и/или возможности стабилизации квантовых объектов. Дело в том, что основным препятствием для развития новейших, так называемых нанотехнологических производственных процессов выступает «великий и ужасный» квантовый принцип неопределенности, из-за которого наноструктуры всегда остаются хрупкими и недостаточно стабильными. Сам факт существования в микромире новых, пока неизвестных закономерностей «армирования» атомных структур представляется исключительно интересным и может сыграть важнейшую роль в развитии нанотехники и нанонауки вообще.

Второе обстоятельство связано с тем, что описываемые Боллом эффекты, возможно, позволят перейти к более строгому формальному описанию химических процессов и объектов. Кстати, несколько лет назад издательство «Мир» в серии «Теоретические основы химии» выпустило книгу известного западного специалиста по квантовой химии профессора Ричарда Бейдера «Атомы в молекулах», главная идея которой — трансферабельность (переносимость) свойств атомов при переходе от одного типа молекул к другому. Подход Бейдера высоко формализован, для описания атомов и химических связей он использует топологический анализ распределений электронной плотности, исследование бифуркаций при изменениях этих распределений и другие чисто математические методы. При таком подходе центральное значение приобретает именно электронная оболочка изучаемой структуры, безотносительно к тому, какие конкретные элементы (атомы, молекулы, их группы или фрагменты) создают эту оболочку, то есть лежат в «фундаменте» объекта. Понятно, что это позволяет автору обойтись вообще без представлений о конкретных химических элементах. Бейдер в своей книге задает читателю провокационные вопросы вроде: «А существуют ли в молекулах атомы?»

Если же применить менее формализованный подход, объекты, описываемые Боллом и Бейдером, можно назвать квантово-механической «уткой по-пекински». Это знаменитое китайское блюдо — фактически тщательно обжаренная кожица с тонким прилегающим слоем мяса (так сказать, «оболочка» утки), причем оболочка разрезается на точно заданное количество кусочков (явное квантование!). Оставшаяся тушка не относится к утке по-пекински и используется для приготовления других блюд. Точно так же ученые могут вдруг обнаружить, что физические и химические свойства нанометровых объектов определяются только их специфическими электронными оболочками, а вещество под «шкуркой» (конкретный тип атомов, молекул или кластеров) играет лишь роль наполнителя.


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • Alex_S  | 26.02.2006 | 23:57 Ответить
    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)
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005–2026 «Элементы»