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