«В СНТР не упомянуты новые материалы»: химия и жизнь с точки зрения РАН

Во второй день осеннего Общего собрания РАН научная сессия была посвящена Международному году Периодической таблицы химических элементов. Рассказываем, как это было.

Законы таблицы и поиск «островитян»

«После первого сообщения о периодическом законе в Российском химическом обществе академик Зинин сказал, что лучше б Менделеев делом занялся», – рассказал академик Юрий Золотов. Но, как выяснилось позже, именно этот закон остался в веках, а триады Деберейнера и другие попытки сгруппировать элементы оказались не так успешны. Многие предлагали решить частичку пазла, объединяя несколько элементов согласно их свойствам, но в периодической таблице Менделеева все элементы были не просто расположены по порядку их атомного веса. «Ключ был в электронной структуре атомов, – пояснил Золотов. – Свойства химических элементов изменяются периодически в зависимости от периодического изменения электронных структур атомов. В результате квантово-механических расчетов выяснилось, что с ростом заряда ядра электроны занимают последовательность оболочек; новый период начинается, когда электрон впервые занимает новую оболочку».

Сегодня многие знают, что Дмитрий Менделеев предсказал заполнение таблицы новыми элементами и оставил для них подходящие пустые «окошки», часть из которых он увидел заполненными еще при жизни. Но мало кто слышал, что ученый когда-то предлагал поставить перед водородом еще два элемента – ньютоний и короний. Найти элементы легче водорода так и не удалось, зато с другой стороны таблица продолжает дополняться. Периодический закон оказался верным, и ровно полтора века спустя ЮНЕСКО посвятило ему год. «К этому времени ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии) принял название и утвердил символы еще четырех, самых тяжелых химических элементов. Именно они заполнили седьмой ряд Периодической таблицы, что придало году не только историческую, но и научную значимость», – заявил в своем докладе академик Юрий Оганесян, в честь которого был назван один из элементов.

Долгое время считалось, что предел массы новых ядер определяется стабильностью элементов, и расчеты показали существование «острова» стабильности изотопов ядер элементов 112–118. У изотопов элемента 114 период полураспада может даже превышать возраст Земли, и это доказало, что поиски не бессмысленны. Но найти элементы в природе не удавалось, поэтому ученые работали на ускорителях, сталкивая изотоп кальция-48 с америцием, кюрием и плутонием-244 на скорости 1/10 световой. 15 лет и 100 тысяч часов работы на ускорителе спустя шесть новых элементов наконец удалось найти, и все они были синтезированы в Дубне.

От «головной боли» к прибыли и лекарствам

О редкоземельных элементах рассказал в своем докладе академик Аслан Цивадзе. Обзор на эту тему, вышедший недавно в Science, назывался «Головная боль Менделеева, современные чудеса». Действительно, эти элементы было трудно найти и еще труднее поместить в правильную клетку таблицы из-за сходных свойств. Зато мы, в отличие от Менделеева, можем получать из них огромную выгоду. Так, рений очень ценится в авиационной промышленности, нефтехимии, кораблестроении и медицине и продается на международном рынке по пять тыс. долларов за килограмм. В России его месторождение находится на острове Итуруп, где элемент в очередной раз напоминает, почему относится к редкоземельным. Но современные ученые не боятся этих трудностей: они создали установку, чтобы добывать рений на вулканах.

Новые химические элементы помогают и в создании новых материалов с интересными свойствами. Но, по словам академика Евгения Каблова, сегодня в этой отрасли нужно заранее знать, каким будет результат и для чего он должен использоваться, загодя найти финансирование и организацию-партнера, которая будет готова его применять. Для проектирования свойств материала на помощь приходят новые технологии. «Аддитивные технологии – основа промышленной революции и перехода к шестому технологическому укладу, – подчеркнул академик. – Эти технологии позволяют получать такие конструкции, которые никогда бы не удалось получить традиционными методами. Существует три уровня таких технологий: создание моделей, изготовление демонстраторов и изготовление серийных деталей».

О другом направлении применения химических знаний – медицине – рассказал академик Валерий Чарушин. В своем докладе он затронул элементы, из которых строится все живое, и необходимые человеку металлы. Пригодиться в медицине могут и очень простые, и очень сложные соединения: от антидепрессантов на основе лития и сульфата бария в качестве контрастного вещества при рентгене до сложных биополимеров, из которых можно сделать протезы. Поэтому химики все больше объединяют усилия с медиками и биологами.

Космос и хемофобия

Профессор РАН Александр Лутовинов поведал об элементах и эволюции Вселенной. После Большого взрыва быстро возникли первые три элемента – водород, гелий и литий. Все остальное – результат термоядерных реакций в звездах, самые массивные из которых заканчивают свою жизнь вспышкой сверхновых, высвобождая то, что в них насинтезировалось. Облака выброшенного взрывами вещества астрономы называют «звездные ясли»: в них рождаются звезды следующего поколения, которые могут использовать для реакции новые элементы и получить что-то потяжелее (а еще обзавестись планетной системой, чтобы пустить эти элементы в ход). Сначала выгорает водород, потом гелий, со временем появляются азот и фосфор. Если звезде в конце жизни суждено стать белым карликом, она будет «одним из самых больших бриллиантов во Вселенной», почти полностью состоящим из углерода.

Но объяснить соотношение элементов во Вселенной только сверхновыми нельзя. «Долгое время считалось, что именно вспышки сверхновых ответственны за производство элементов тяжелее железа. Однако оказалось, что наблюдаемого темпа вспышек сверхновых недостаточно для того, чтобы объяснить то обилие тяжелых элементов, которое мы видим в космосе. Откуда взяться нужному количеству нейтронов – из нейтронных звезд!» – продолжил академик. Захват нейтронов помогает создавать новые элементы в нейтронных звездах и черных дырах. Поэтому столкновение нейтронных звезд с химической точки зрения превращается в фабрику по производству золота.

Но если звездная химия очаровывает и завораживает, то более близкая органическая скорее пугает людей. Сегодня «органическими» называют продукты, полученные местными фермерами без пестицидов и антибиотиков, тогда как и пестициды, и антибиотики – самые что ни на есть органические вещества. «Не могу не высказать обеспокоенность ситуацией, связанной с химической грамотностью в школе, в высших учебных заведениях», – заявила член-корреспондент РАН Наталья Тарасова, доклад которой был посвящен хемофобии.

Это не только российская проблема: 65% населения Франции негативно отзывается о национальной химической промышленности, а в Швеции это число достигает целых 80%. Более того, скоро мир ожидает новый виток хемофобии: как предположила Тарасова, он будет связан с распространенностью микропластика в океане. Однако если химию использовать для сохранения экологии, то хемофобию можно победить – именно поэтому зеленая химия, наоборот, пользуется поддержкой и у предприятий, и у населения.

Заслушав доклады из таких разных областей, участники собрания посетовали, что химическим направлениям не хватает государственных программ, которых в СССР было гораздо больше. Академик Михаил Егоров предложил обратиться к властям с просьбой создать государственную программу развития химического комплекса. «Наверное, здесь лучше использовать те реальные инструменты, которые у нас есть, – программы Советов по приоритетам, – нашел выход президент РАН Александр Сергеев. – Эти программы уже начали финансироваться. Другое дело, что мы понимаем, что в стратегии научно-технического развития страны не упомянуты новые материалы. Давайте предложим усилить уже существующий механизм. Возможно, создать еще один Совет по новым материалам».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.