Издание Правительства и Законодательного Собрания Челябинской области
Сегодня Вторник, 25 Июля 2017, 01:43

Челябинские ученые нашли «философский камень», который меняет структуру вещества

22 Ноября 2016 Автор: Евгений Аникиенко
Челябинские ученые нашли «философский камень», который меняет структуру вещества

Как заглянуть вглубь атомной решетки, чтобы разобраться в природе мироздания, научиться создавать вещества с заранее прогнозируемыми свойствами?

Это и стало темой нашего разговора с доктором химических наук, заведующей лабораторией моделирования многокомпонентных материалов, профессором кафедры теоретической и прикладной химии ЮУрГУ Екатериной Барташевич.

Модель мироздания

— Чем вызвано такое внимание к «элементарной химии»? И какие цели преследует создание вашей лаборатории?

— Она создана совсем недавно, в феврале этого года, и главная задача, которую мы ставим перед собой, — фундаментальные исследования на субатомном уровне, чтобы знать, как образуются и разрываются химические связи, и научиться управлять ими. В перспективе возможны самые неожиданные открытия — от создания сверхпроводников до таблетки, которая вылечит СПИД... Но сегодня важно сделать упор на научной составляющей, приблизить понимание сложнейших процессов, происходящих в веществе.

Дело в том, что традиционная льюисовская модель химических связей (пара электронов между атомами), которой в этом году исполняется 100 лет, в последнее время претерпела эволюционные изменения. Одно время считалось, что атомы — это своего рода «деревянные кубики», которые в начале ХIХ века придумал английский химик доктор Джон Дальтон, затем их стали рассматривать как жесткие сферы. Но эти частицы вовсе не первичные «кирпичики мироздания», есть и более мелкие — бозоны и фермионы... Появилось понятие квантовой химии, со своими законами микромира. Сегодня химики научились объяснять межмолекулярные связи процессами, происходящими на субатомном уровне. Оказывается, их во многом определяет электронная плотность внешних оболочек атомов.

Атомные пазлы

— И все-таки есть ли шанс выйти на новый уровень строения вещества?

— Очень надеюсь. Плотность внутри атома неоднородна, и даже привычное объяснение межатомных взаимодействий по принципу «ключ — замок» многого не объясняет. Мы предпочитаем другой термин — пазлы, то есть своего рода фрагмент головоломки, требующий подбора сочетаний сразу нескольких качеств (для пазла это могут быть размер, форма, орнамент, цвет). Будет ли новый материал прочным, гибким «на излом» и стабильным? Не разрушится ли от воздействия высоких температур, давления? Это мы и пытаемся выяснить, прогнозируя свойства новых соединений с помощью суперкомпьютерного моделирования.

Мой наставник профессор Владимир Цирельсон, заведующий лабораторией квантовой химии Российского химико-технологического университета имени Д. Менделеева, экспериментально исследует свойства электронной плотности. Он выступил научным консультантом моей докторской диссертации о влиянии свойств электронной плотности на химические связи.

Солнечный галоген

— Есть ли у вас уже первые находки? И что они могут дать человечеству?

— К примеру, наш проект по изучению природы галогенных связей йода в кристаллах был поддержан на федеральном уровне: на три года был выделен солидный грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Исследования показали, что йод (он относится к группе галогенов) — элемент, который может произвести революцию в самых разных сферах. Анизотропия (неодинаковость) электронной плотности атомов йода позволяет формировать кристаллы с множеством полезных свойств.

Наш аспирант Ирина Юшина подготовила на эту тему кандидатскую диссертацию. Сегодня солнечные батареи во многом ассоциируются с кремнием, но у него есть существенные минусы, поэтому их третье поколение будет работать не без помощи йода. Именно так: в солнечных батареях на основе «ячейки Гретцеля», которые разрабатывают наши ученые, важными компонентами будут органические полийодиды, фоточувствительные красители и металлоксидные материалы. Их отдача намного выше, но нужно найти соединения, устойчивые к солнечному облучению, ветру, дождю и снегу. И первые находки уже есть.

В будущем йод также может стать незаменимым элементом при создании органических полупроводников, сорбентов, бактерицидных препаратов с уникальными свойствами...

Лазерный кристалл

— А возможно ли применение йода в нелинейной оптике, которую называют одним из драйверов создания квантового компьютера?

— Выяснилось, что при облучении лазером кристаллов с нелинейными свойствами, созданных на основе цепочек, состоящих из атомов галогенов (например, йода), диапазон их применения расширяется. Разобравшись в природе галогенных связей, мы сможем понять, как образуются атомные цепочки и сетки в кристаллах, работающие «скрепляющим материалом».

— И насколько продвинулось исследование таких кристаллов?

— Свойства органических монокристаллов, соединений с галогенными связями в нашей лаборатории изучает кандидат химических наук Юрий Матвейчук. Мы применяем метод циклических кластеров, предложенный итальянскими учеными. В основе метода циклических кластеров заложен закон пространственной симметрии монокристалла. Никакой, даже самый мощный, суперкомпьютер не сможет смоделировать и рассчитать связи всех атомов в реальном кристалле, но если взять одну кристаллическую ячейку, размножить ее и замкнуть в большой цикл, мы получим вполне достоверную модель. Это позволяет варьировать масштаб моделирования и изучить как наноуровень, так и более крупный. Мы планируем выйти на разработку новых материалов с улучшенными нелинейными оптическими свойствами.

Молекулярный ансамбль

— Но вы не ограничиваетесь изучением только йода?

— Мы исследуем органические соединения не только с йодом и другими галогенами, но и с халькогенами (в периодической системе — от кислорода до теллура), пниктогенами (азот, фосфор, мышьяк), веществами с тетрельными связями (углерод, кремний, германий). Модель трехмерного атомного пазла действует и для них. Эти интереснейшие исследования проводит моя ученица аспирант Светлана Мухитдинова. Она доказала, что молекулы, содержащие серу, кислород и селен, выстраиваются в ансамбли с помощью халькогенных связей и таким структурам можно придать полезные заданные свойства.

Тайны генома

— А есть ли желание «заглянуть» в геном человека, исследовать природу живого?

— Такое желание есть. Мало того, сейчас, когда объявлен конкурс на финансирование проектов постдоков — молодых ученых, недавно защитивших диссертацию, мы стараемся привлечь талантливых исследователей из других вузов. Например, одно из направлений — методы молекулярной динамики и квантовой химии в изучении механизмов устойчивости бактериальных рибосом к антибиотикам.

Если понять молекулярный механизм происходящих изменений, можно будет решить проблему привыкания болезнетворных бактерий к антибиотикам, другие медицинские проблемы.

— Какое еще применение может найти йод в нашей жизни?

— За последнее время я участвовала в международных конференциях во Франции, Швеции и Италии, и этот элемент всегда вызывает огромный интерес. В сентябре 2016 года сотрудники нашей лаборатории участвовали в работе проходившего в Екатеринбурге Менделеевского съезда ученых-химиков. Мы сделали доклады о наших исследованиях связей йода с органическими веществами на субатомном уровне.

Вообще, на мой взгляд, сфера применения йода практически безгранична. Это и позитронно-эмиссионная томография, где его изотопы используются для выявления онкозаболеваний на ранней стадии (современные ПЭТ-центры уже появились в Челябинске и Магнитогорске), и внедренные в Снежинске новинки радиационной медицины. О живучести одного из изотопов йода говорит такой факт: после аварии на Фукусимской АЭС в Японии он, выдержав «ядерный шторм», еще сделал несколько витков вокруг Земли!

Но мы только приближаемся к пониманию феномена субатомного уровня исследования химических связей, и, уверена, на этом пути нас ждет еще немало удивительных открытий, которые можно поставить на службу человеку.
Вчера | 14:52
Фотопроект «Я путешественник!». Гора Багруш

«Южноуральская панорама» продолжает свой туристический фотопроект. Снимок прислан нашей читательницей Ксенией Чугаевой.

Вчера | 14:41
Фотопроект «Я путешественник!». Зюраткуль зимой и летом

«Южноуральская панорама» продолжает свой туристический фотопроект. Вид с вершины горы в национальном парке «Зюраткуль» запечатлела наша читательница из Челябинска Нурзифа Хуснутдинова.

Вчера | 12:37
Ученые обнаружили на Таганае арктические растения ледникового периода

Остался ли кто-то из «северян» в наших горах после того, как ледник ушел? Как влияет глобальное потепление на экосистему Южного Урала? Ответы на эти вопросы и стали главной целью изучения растительного мира национального парка «Таганай» в рамках масштабного проекта Уральского отделения Российской академии наук. Своими мыслями по поводу поделился руководитель экспедиции кандидат биологических наук Андрей Быструшкин, научный сотрудник Ботанического сада УрО РАН.

19.07.2017 | 12:22
В Челябинской области увеличилась субсидия на приобретение сельхозтехники

По поручению губернатора Бориса Дубровского из регионального бюджета в 2017 году на возмещение затрат аграриев по обновлению техарсенала будет выделено 172 млн рублей.

Новости   







240.jpg





Азбука_180 150.jpg

180x240.png

 Строим храм вместе
Спецпроекты