Тенденции развития современной химии

         Полученные результаты далеко  не всегда легко интерпретировать  в терминах классической химии.  Установление соответствия между  экспериментально наблюдаемыми явлениями и данными квантово-химического расчета часто обогащает новыми идеями не только квантовую химию, но и саму химическую науку, создавая новые модели для описания химической связи, строения молекул и их взаимодействия. 

       2.2 Спиновая химия 

       Спиновая  химия уникальна: она вводит в  химию магнитные взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия контролируют химическую реакционную способность и пишут новый, магнитный «сценарий» реакции.

       Дизайн  молекулярных магнетиков — одно из новых научных направлений современной химии, связанное с синтезом систем высокой размерности. Сегодня достижения современной химии таковы, что химики могут ставить перед собой сверхзадачу — синтезировать в мягких условиях готовое изделие, скажем, монокристалл, сразу, как цельный макрообъект, из исходных молекулярных компонентов. При этом становятся равноправно значимыми как внутримолекулярные, так и межмолекулярные взаимодействия и связи. Причем, и это особенно важно, они должны быть не какими-то случайными, а выполняющими определенную функциональную нагрузку. В результате из отдельных молекул должен получиться макрообъект с неким кооперативным свойством, которое присуще природе кристалла, т.е. природе макроансамбля, но никак не отдельно взятой молекуле.

       Поскольку в итоге получается многоспиновая  молекула (каждая молекула содержит неспаренный электрон (спиновую метку)) — это можно отнести к  спиновой  химии.  Особенно интересующие нас в данном случае макросвойства, такие как, скажем, магнетизм - свойства физического порядка. В этот момент соединяются в целое интересы химии и физики. Особенность таких соединений в том, что - это материалы будущего, новые компоненты элементной базы будущего, причем, совсем не отдаленного. Молекулярные магнетики обладают разнообразным сочетанием физических характеристик, которое для классических магнитных материалов трудно было даже представить.

       Сегодня мы научились получать кристаллы  молекулярных магнетиков, которые по сравнению с классическими магнитными материалами необычайно легкие, поскольку их плотность в 5-7 раз меньше. При этом они могут быть оптически прозрачными в видимой и инфракрасной областях спектра. И еще одна из особенностей — они, как правило, диэлектрики, т.е. не требуют каких-то специальных изоляционных покрытий при контакте с электропроводящими устройствами. Они совершенно не токсичны и устойчивы к коррозии.  Молекулярные магнетики могут найти приложения в следующих областях: магнитная защита от низкочастотных полей, трансформаторы и генераторы, имеющие малый вес, научное приборостроение, криогенная техника, информационные технологии, медицина, энергетика. 

       2.3  Нанохимия

          Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов. Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. Туннельный эффект - квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Основой изобретенного микроскопа  является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку.

       Однако  кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения используются в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более производство DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

       Нанохимия - это синтез нанодисперсных веществ  и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической  деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием нанокристаллов.

       Направления исследований в нанохимии:

       - разработка методов сборки крупных  молекул из атомов с помощью  наноманипуляторов; 

       - изучение внутримолекулярных перегруппировок  атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях. Синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур.

       - разработка теории физико-химической  эволюции ультрадисперсных веществ  и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур.

       - получение новых нанокатализаторов  для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах.

       - изучение механизмов нанокристаллизации  в пористых средах в акустических полях; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией.

       - исследование явления самоорганизации  в коллективах нанокристаллов;

       -  поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.

       Ожидаемым результатом будет функциональный ряд машин, обеспечивающий:

       - методологию изучения внутримолекулярных  перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы;

       - новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики;

       - оксидно-редкоземельные и ванадиевые  нанокатализаторы с широким спектром действия;

       - методологию предотвращения химической  деградации технических наноструктур;

       - методики прогноза химической деградации;

       - нанолекарства для терапии и  хирургии, препараты  на основе  гидроксиапатита для стоматологии;

       - способ лечения онкологических  заболеваний путем проведения  внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля;

       - методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов;

       - методики регулирования пространственной  организации наноструктур;

       - новые химические сенсоры с  ультрадисперсной активной фазой;  методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием.  

       2.4 Фемтохимия 

       Фемтохимия  исследует время движения реагирующих  систем на потенциальной поверхности и вводит в химию экспериментальную химическую динамику как высшую, элитарную часть химической кинетики.

       Освоение  лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило крупный прорыв в фемтохимию; это новая химия, детектирующая химические события в масштабе ультракоротких времён 10^-15-10^-14 с (1^-10 фемтосекунд). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10^-13-10^-11 с). Благодаря такому соотношению времён фемтохимия «видит» саму химическую реакцию - как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов.

       В частности, фемтохимия занимается изучением  переходного состояния химической реакции. Переходное состояние – это область межатомных расстояний, лежащая на пути от реагентов к продуктам, в которой система проходит через такие структуры, которые уже нельзя назвать реагентами, но ещё нельзя считать продуктами. Временная эволюция конфигурации атомов называется динамикой переходного состояния. Так как время пребывания молекулярной системы в переходном состоянии составляет всего порядка 100 фс, то до появления соответствующих инструментов исследователям приходилось восстанавливать его динамку, изучая кинетики реагентов и продуктов. Этих данных оказалось недостаточно для однозначного восстановления последовательности событий. Лишь с открытием в недавнем времени лазеров, изучающих ультракороткие импульсы длительностью 100 фс, появились новые экспериментальные возможности:

       - при длительности импульса τ  = 10^-14 с и скорости атома v = 10⁵ см/с уже возможно детектировать изменения расстояний в молекулярной системе, что позволяет с хорошей точностью проследить временную эволюцию конфигурации ядер;

       - Вследствие когерентности импульса  возможно когерентное возбуждение нескольких колебательных или вращательных состояний молекулы с определёнными относительными фазами движения атомов.

       Такой тип возбуждённых состояний называется когерентным ядерным волновым пакетом.

       - При энергии 1 мкДж импульса  длительностью τ = 10^-14 с, пиковая мощность равна P = 100 МВт, поэтому можно легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, получая высоковозбужденные молекулярные системы. Под действием таких импульсов на вещество генерируются импульсы света в широком спектральном диапазоне (суперконтинуум), рентгеновского излучения и электронов.

       Этот  крупный прорыв в современной  химии открыл прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки -   фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии и т.д.

       Основные  направления этих новых областей исследований – это исследования детальных микроскопических химических и биологических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени. 

       2.5 Синтез фуллеренов  и нанотрубок 

       Фуллерены и нанотрубки — это обширные классы интереснейших наноструктур. Например, среди фуллеренов известно множество частиц и изомеров от малых (С₂₀, С₂₈) до гигантских (С₂₄₀, С₁₈₄₀) размеров с совершенно различными свойствами. Получены многооболочечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из нескольких вложенных друг в друга структур.

       Синтезированы фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы (фуллериты), допированные кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кристаллов. Например, фуллерен С₂₈ имеет ту же валентность, что и атом углерода, и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза — гипералмаз. В последние годы обнаружено много молекул неорганических веществ (оксидов, дихалькогенидов металлов и прочих) по своей структуре подобных фуллеренам.

       Из  нанотрубок получают очень интересные материалы, например уникальной прочности нанобумагу: это плотные пленки из переплетенных, подобно растительным волокнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нитки. Если вспомнить, что прочность нанотрубок в 50-100 раз больше, чем у стали, то становится понятно, что подобные изобретения человечеству весьма пригодятся. Найдены вполне реальные области применения нанотрубок — например, в плоских дисплеях (фирма «Motorola»), которые превосходят плазменные и жидкокристаллические аналоги, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10^-15 г) - в частности, вирусы. 

       2.6 Химия одиночной  молекулы 

       Сегодня ученые могут увидеть и распознать одну молекулу и даже манипулировать ей. Новое знание позволяет, например, увидеть поверхностные комплексы, катализирующие многие процессы. А главное, что можно уже не только увидеть, но и манипулировать молекулами, и моделировать из них разные наноструктуры.

       Основное направление в химии одиночных молекул - аналитические методы. Сканирующий туннельный микроскоп был создан в 1981 году, и тогда же во многих научных центрах начали активно развиваться методы, с помощью которых можно наблюдать за отдельными молекулами. Хотя теоретически все было подсчитано и предсказано, понадобилось почти 20 лет, чтобы получить первый колебательный спектр одной адсорбированной частицы.