: 21 сен 2009 , Виват, Универ! , том 28,
№4
На твердых принципах. Химия твердого тела в НГУ
Химия твердого тела - наука о превращениях с участием (в качестве исходных реагентов или продуктов реакции) веществ, хотя бы одно из которых находится в твердом состоянии. При этом химическая природа веществ может быть самой различной, лишь бы они были твердыми - кристаллическими или же аморфными, стеклообразными. Необходимость выделить превращения с участием твердых тел в самостоятельное направление химии связана с тем, что твердое состояние вещества обусловливает множество особенностей его синтеза и анализа. Сегодня химия твердого тела - основа материаловедения; ее достижения используются в строительстве, для переработки минерального и растительного сырья, создания высокотехнологичных материалов для электроники, аккумуляторов, сенсоров, топливных элементов, моделирования биологических процессов и т.д. В Новосибирском государственном университете, в отличие от всех других отечественных вузов, преподавание химии твердого тела как общего курса ведется на протяжении уже нескольких десятилетий. Именно здесь была открыта и первая кафедра этого профиля
Что же такого в твердых веществах особенного, что их изучение выделено в отдельную науку? Для «обычного» химика получить вещество – означает получить молекулу с определенным стехиометрическим соотношением элементов (это всегда отношение целых чисел, например в Н2О – Н:О = 2:1, в C2H5OH – C:Н:О = 2:6:1 и т.д.). Помимо этого, необходимо, чтобы элементы были связаны друг с другом определенным образом, так как возможно существование изомеров, т. е. молекул, имеющих одинаковый элементный состав, но различное строение.
Применительно к твердым телам эта ситуация многократно усложняется.
От содержания – к форме
Вещество в твердом состоянии характеризуется уже не только элементным составом и молекулярной структурой, но и определенным строением кристалла (или аморфного образца, стекла), размером и формой частиц, наличием, типом и концентрацией дефектов. Могут существовать различные полиморфные и полиаморфные модификации (аналоги молекулярных изомеров).
При этом стехиометрическая формула уже не требует целочисленных значений (закон кратных отношений выполняется не всегда). Свойства образца зависят от его «биографии» – способа получения, условий и продолжительности хранения, внешних воздействий. Часто достаточно прикоснуться к кристаллу пинцетом или приклеить его, чтобы свойства кардинально изменились.
Если образец состоит из нескольких частиц, что типично для твердых материалов, то имеет значение, как именно частицы расположены друг относительно друга, как они контачат друг с другом. Для реакций твердых тел с газами и жидкостями может иметь значение даже то, какой стороной (гранью кристалла) частица повернута к газу или жидкости.
Многие свойства современных материалов, например, прочность или способность поверхности отталкивать влагу и самоочищаться, определяются не внутренним строением, а «макроструктурой» образца. У материала может быть рифленая поверхность, ячеистая структура, в композите могут чередоваться различные частицы и т. д.
Даже простое описание вещества в твердом состоянии по уровню сложности не уступает описанию биохимических объектов, тех же белков или ДНК, у которых тоже есть не только первичная, но и вторичная, третичная и четвертичная структуры и которые, в свою очередь, входят в состав еще более сложных объектов (мембран, клеток и т. д.).
И стройматериалы, и лекарства
Сложность строения твердого вещества обусловливает и сложность работы с ним, требует особого решения препаративных и аналитических задач. То же самое можно сказать и в отношении изучения химических превращений с участием твердых тел и управления ими, определения взаимосвязей между структурой вещества и его свойствами. Для этого требуются оригинальные приемы и методы.
Поскольку значительная часть веществ в окружающем нас мире находится именно в твердом состоянии, химия твердого тела не является наукой, занимающейся исключительно экзотическими объектами. Напротив, сегодня это основа материаловедения; ее достижения помогли разработать многие современные технологические процессы.
Среди последних – и крупнотоннажные, такие как переработка минерального сырья, получение строительных материалов и катализаторов; и менее «материалоемкие», связанные с получением очень дорогостоящих фармацевтических препаратов, высокотехнологичных волокон, покрытий и мембран, современных материалов для электроники, аккумуляторов, сенсоров, топливных элементов и т. д.
Химия твердого тела находит применение и для моделирования биологических процессов, и для имитации природных материалов. Трудно назвать область, где бы знание химии твердого тела не требовалось. Оно находит применение даже в археологии, где позволяет, на основании результатов термоаналитических, дифракционных и микроскопических исследований воссоздать технологию найденных при раскопках артефактов. Тем самым проливается свет на историю их возникновения – кто, где, когда и из какого материала изготовил эти предметы.
НГУ – в авангарде
Особая заслуга Новосибирского государственного университета в том, что в отличие от всех других отечественных вузов преподавание химии твердого тела как общего курса ведется здесь на протяжении уже нескольких десятилетий.
Именно в НГУ еще в советское время на факультете естественных наук (ФЕНе) была открыта первая кафедра этого профиля. До этого в течение почти 20 лет химия твердого тела преподавалась как спецкурс студентам физического факультета и факультета естественных наук, а середины 1970-х гг. – как общий курс на кафедре физической химии ФЕНа.
Первоначально кафедра твердого тела создавалась для обеспечения потребностей в научных кадрах Института физико-химических основ переработки минерального сырья СО РАН. Хотя этот институт (ныне – Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН) по-прежнему остается базовым, кафедра давно переросла институтские рамки.
Сегодня здесь обучают самым общим понятиям, которые необходимо знать не только специалистам химического профиля, но и физикам и биологам. Помимо постоянно развивающихся общих курсов, а также спецкурсов для студентов-химиков и физиков, подготавливаются блоки курсов и практикумов для геологов и фармакологов, методические материалы для включения в курсы неорганической и органической химии для студентов младших курсов. Многие из них применяются и в других вузах, в том числе за рубежом. Блочная основа всех курсов позволяет легко перестраивать и адаптировать их под конкретного потребителя.
При таком широком охвате неудивительно, что преподаватели как общих, так и специальных курсов представляют на кафедре разные исследовательские институты СО РАН: химии твердого тела и механохимии, катализа, неорганической химии, органической химии, фундаментальной медицины и биоорганической химии, геологии и минералогии, а также фирму «Шлюмберже» – одну из крупнейших мировых нефтесервисных компаний.
На кафедре, пожалуй, как нигде соблюдается провозглашенный Лаврентьевым принцип связи между наукой и образованием: все ее преподаватели без исключения являются совместителями. При этом здесь традиционно преподает много научной молодежи, но одновременно работают и «живые классики» – ветераны СО РАН.
Эти исследования важны для физики и химии, медицины и биологии
Основные направления научных исследований сотрудников кафедры разнообразны: исследования механизма химических реакций и фазовых переходов с участием твердых веществ и поиск методов управления их скоростью, пространственным развитием, составом, структурой и свойствами продуктов; получение новых материалов с заданными свойствами для различных практических приложений; исследование веществ и материалов в экстремальных условиях высоких температур и давлений; разработка новых методов получения биологически активных веществ на основе возобновляемого природного сырья или отходов производства.
Термическое разложение стеарата серебра и некоторых других карбоксилатов в особых условиях приводит к образованию «коллоидных кристаллов», построенных из абсолютно одинаковых по размерам и форме наночастиц серебра. Такие наноматериалы находят много интересных приложений
Научные работы преподавателей кафедры широко известны в мире. Об этом свидетельствуют и высокие рейтинги цитируемости, и международные премии, и приглашения с докладами на конференции и с лекциями в ведущие зарубежные центры и университеты, и избрание сотрудников кафедры на руководящие посты в международных научных союзах и организациях.
Не менее показательна и готовность зарубежных исследователей работать с новосибирцами по совместным международным проектам, в том числе не только принимать у себя наших молодых ученых, но и организовывать «обратный» поток научной молодежи.
Разные полиморфы могут различаться также устойчивостью при хранении, поведением при таблетировании и другими практически важными свойствами. Знания о существовании всевозможных полиморфов медпрепаратов, их свойствах и условиях синтеза необходимы для фармацевтической индустрии. Не последнюю роль при этом играют вопросы патентной защиты и возможность производства дженериков, т. е. лекарственных препаратов, являющихся разрешенными эквивалентами лекарства-оригинала.
Опыт новосибирских исследователей по модифицированию лекарственных форм был высоко оценен одним из лидеров фармацевтического бизнеса фирмой Pfizer, с которой они работали по совместному исследовательскому гранту. Ученые надеются, что их разработки будут востребованы и на родине.
Направление развивается в ИХТТМ СО РАН и на кафедре ХТТ НГУ под руководством акад. В. В. Болдырева
Сегодня мы оптимистично смотрим в будущее. За многие годы своего существования кафедра химии твердого тела НГУ, несмотря на очень трудные 1990-е гг., не только не распалась и не зачахла, но, напротив, обрела второе дыхание.
Процесс выхода ионов лития в межслоевое пространство слоистых гидроксидов алюминия с добавкой лития позволяет:
· селективно извлекать литий из природных высокоминерализованных вод;
· создавать мягкие антидепрессанты пролонгированного действия;
· использовать межслоевое пространство как мини-реактор для проведения необычных химических реакций.
Исследования по этому направлению, начатые в ИХТТМ СО РАН под руководством акад. В. В. Болдырева, успешно продолжаются в группе д. х. н. В. П. Исупова с участием студентов и аспирантов кафедры ХТТ
Даже невозможно сравнивать нынешний уровень оснащенности оборудованием с тем, на чем когда-то ее сотрудникам приходилось работать и учить студентов. Мы полны идей и планов, более того – к нам приходит молодежь, способная эти планы реализовать. Остается только одно – работать, чтобы и впредь в России и в мире для всего научного сообщества слова «химия твердого тела» и «Новосибирск» продолжали ассоциироваться друг с другом.
Литература
Болдырев В. В., Швейкин Г. П. Химия твердого тела // Знание – сила. – 1977. – № 1. – С. 8—11.
Болдырев В. В. Реакционная способность твердых веществ. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. – 303 с.
Болдырева Е. В. Между алмазных наковален // Наука из первых рук. – 2007. – № 2. – С. 78—85.
Чупахин А. П., Болдырев В. В., Ляхов Н. З. Химия твердого тела. – М.: Знание, 1982. – 61 с.
Boldyreva E. V. An experience of teaching solid-state chemistry as a comprehensive course for chemistry students // J. Chem. Educ. – 1993. – V. 70. – P. 551—556.
Varnek A. A., Dietrich B., Wipff G., Lehn J.-M., Boldyreva E. V. Supramolecular Chemistry. Computer-Assisted Instruction in Undergraduate and Graduate Chemistry Courses. // J. Chem. Educ. – 2000. – V. 77. – P. 222—226.
: 21 сен 2009 , Виват, Универ! , том 28,
№4 
