На переднем крае химии

Что же представляет собой сейчас передний край хи­мии? Главной задачей химии, по-прежнему, является раз­работка методов синтеза и создание новых веществ, препа­ратов и материалов. Число химически созданных соедине­ний неуклонно растет. Молекулярная архитектура вновь синтезированных соединений бесконечно разнообразна и фантастически богата. Получены молекулы-ромбоиды (со­ставляющие структуру одномерных металлов), протонные «губки» и «трубки» (молекулярно-организованные протононесущие резервуары и каналы), молекулярные тороиды, крауны (способные разделять катионы и анионы), гипер­валентные радикалы, высокоспиновые молекулы (имею­щие десятки неспаренных электронов в одной структуре), многопалубные полиароматические молекулы и т. д.

Крупным событием в химии стало освоение принци­пов звездообразного синтеза, при котором реагенты соеди­няются по фрактальному типу в гигантскую молекулу — дендример. Природа использовала этот принцип при фор­мировании гликогена, амилопектина и некоторых других полисахаридов и белков. Про­гнозируется, что полимерные дендримеры будут служить молекулярно-энергетическими антеннами, собирающими энергию солнечного излуче­ния и преобразующими ее в фототок.

Настоящим сокровищем для химии стали фуллерены, с которыми связывают самые смелые и радужные прогнозы. Фуллерен – это молекула, состоящая из 60, 70 и бо­лее атомов углерода, связанных друг с другом так, что вся структура напоминает футбольный мяч (рис. 1). Ока­зывается, что и «чистые» фуллерены, и эндофуллерены (с внедренными в молекулу различными атомами и иона­ми) являются очень перспективными для микроэлектро­ники и для использования в составе сверхпроводников.

Рис.1 Фуллерен. Атомы углерода расположены в узлах решетки.

Крупным событием в современной химии стал син­тез цилиндрических углеродныхнанотрубок (диаметром около 10 нм), которые построены по тому же принци­пу, что и фуллерены. Эти трубки характеризуются высо­кой растворимостью водорода, что позволяет использовать их в химических источниках тока. Такие нанотрубки мож­но укладывать, изгибать, резать, выпрямлять, организуя молекулярные электронные устройства.

Большой интерес к себе вызывает синтетическая хи­мия на поверхности, которая исследует сверхтонкие объ­екты, мономолекулярные слои, мембраны, межфазные границы, адсорбционные слои реагентов на твердых те­лах, а также нанокластеры. Именно благодаря этим исследова­ниям появилось большое разнообразие источников света всех возможных цветов.

Новое «лицо» химии — это когерентная химия. Коге­рентность в химии проявляется в синхронизации реакции во времени, которая выражается в периодическом изме­нении скорости реакции и детектируется как осцилляции в выходе продуктов, эмиссии люминесценции, электро­химического тока и т. д. Когерентность в химии вносит в нее такие понятия, как волновой пакет, фаза, интерфе­ренция, бифуркация, фазовая турбулентность. В когерент­ной химии случайное, статистическое поведение молекул заменяется организованным, упорядоченным и синхрон­ным: хаос становится порядком.

Первые наблюдения осциллирующих режимов хими­ческих реакций стали уже достоянием истории. Тогда ос­цилляции воспринимались скорее как экзотика, а не как химическая закономерность. Сегодня реакция Белоусова—Жаботинского, осцилляции рН и электрохимического потенциала в гетерогенных системах типа вода-масло, волновое горение и прочие — стали уже классикой.

Реакция Белоусова—Жаботинского — класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.В настоящее время под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (Ce³⁺, Mn²⁺ и комплексы Fe²⁺, Ru²⁺), органическими восстановителями (малоновая кислота, броммалоновая кислота, лимонная кислота, яблочная кислота и др.) и окислителями (броматы, иодаты и др.). При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний и являются важным объектом исследования универсальных закономерностей нелинейных систем.

Рис.2 Некоторые конфигурации, возникающие при реакции Белоусова — Жаботинского в тонком слое в чашке Петри

Одна­ко осознание того, что макроскопическая когерентность является фундаментальным свойством, пришло лишь не­давно. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, в когерентных режимах можно ожидать увеличения вы­ходов реакции, селективности процессов, самоочистки поверхностей от каталитических ядов и т. п. Во-вторых, интерес к химическим осцилляторам проявился вновь благодаря биохимическим осциллирующим процессам в нервных клетках, мышцах, митохондриях. Считается, что система химических осцилляторов является прообразом будущих моделей нейронных сетей.

Современная химия, раздвигая свои горизонты, актив­но вторгается в области, которые для «классической» химии не представляли интереса или были недостижимы. Особенно впечатляющие результаты достигнуты в облас­ти фемтохимии, которая развивается благодаря прогрес­су в получении ультракоротких (10^-14 - 10^-15с) лазерных импульсов. Эти импульсы позволяют эффективно воздей­ствовать на отдельные атомы и молекулы вещества, обес­печивая высочайшее пространственно-временное разреше­ние в управлении химическими превращениями. Мощные лазерные импульсы — великолепное средство генерации коротких ударных волн, стимулирующих экзотические химические превращения (например, синтез металличе­ского водорода). Другим направлением создания экзоти­ческих условий является лазерное охлаждение до сверх­низких температур (10^-4 - 10^-6К), с помощью которого, например, удалось получить новое состояние вещества — кристаллический газ.