Новости и статьи с тегом органическая химия

За какими материалами будущее?

Mon, 03 Dec 2012 10:48:48 +0400

Иногда можно спутать материал и вещество. Принято такое определение через отрицание: материалом не являются пища, топливо и лекарства - потому что перечисленные объекты в процессе использования вступают в химические реакции и постепенно исчезают, почти полностью. После подобного примера студенты спрашивают о том, куда можно в таком случае отнести жевательную резинку. Никуда не могу ее отнести: ни туда, ни сюда.

Наука материаловедение - междисциплинарная и состоит из химии, физики и математики. Материаловед изучает химический состав; структуру, строение материала; его свойства и его применение. Вот между этими четырьмя позициями есть стрелочки взаимных связей, эти связи мы и должны изучить.

В области материаловедения наша страна довольно долго держалась на мировом уровне. Наша металлургия (а материаловедение туда частично входит) была передовой до середины 60-х годов, потом мы начали тормозить. Но некоторые части материаловедения и сейчас находятся на высоком уровне.

Материалом не являются пища, топливо и лекарства - потому что перечисленные объекты в процессе использования вступают в химические реакции и постепенно исчезают.

Простой пример. Один из международных крупнейших журналов Acta Crystallographica включает в себя резюме на четырех языках: английском, французском, немецком и русском. Так что с точки зрения научных основ материаловедения у нас еще работают ученые, которые находятся на передовом уровне.

Наши главные причины отставания в том, что материаловедение - комплексная наука. У нас просто перестали обращать внимание на то, что ученых надо выращивать, а не по приказу создавать. Например, оснащение науки и техники в середине 60-х на Западе было совершенно другим, а у нас были старые микроскопы. Без развития наука и технологии разрушаются.

Для появления новых материалов никто задач в науке не ставит

Заказать какой-то новый материал, как и любое открытие в науке, невозможно. Сначала случайно открыли сам эффект, как например способность материалов запоминать форму. Этот эффект ни физикой, ни химией, ни математикой предсказан не был. Его обнаружили, наблюдая за поведением материала под действием температуры, давления при исследовании обычных свойств. И вдруг оказалось, что он может запоминать форму. За спиной этого эффекта стоит давно известное физическое явление - "мартенситные превращения" - то, что происходит при закалке сталей, известное в Китая на протяжении пяти тысяч лет.

Изменение одного кристалла, одной структуры в другую происходит так, что внешняя форма кристалла запоминается и при нагревании разгибается. На многие открытия, сделанные еще в ХХ веке, не было спроса по причине их противоречия законам физики и химии.

Одно и то же вещество может иметь две структуры: графит и алмаз - это углерод. В железе тоже есть две структуры, и благодаря этому закаливается сталь. Это же явление наблюдается в некоторых других, не железных сплавах, но оно сопровождается памятью формы. Изменение одного кристалла, одной структуры в другую происходит так, что внешняя форма кристалла запоминается и при нагревании разгибается.

На многие открытия, сделанные еще в ХХ веке, не было спроса по причине их противоречия законам физики и химии.

Например, металлические стекла - новшество в материаловедении. Они не прозрачные, они такие же, как металл. А называются они стеклами потому, что у них так же, как и у обычного стекла, нет кристаллической решетки. Считалось, что раз металл получился в таком состоянии, то будут новые свойства, откроются новые перспективы техники. Был примерно такой же шум, как сейчас вокруг нанотехнологий. Но шум прошел, осталось очень положительное достижение, новое состояние, новое строение металла, которое не получали в древности. Сегодня металлических стекол на всем земном шаре делается около миллиона тонн, это много.

Когда мы говорим о самых передовых открытиях, то вспоминается одна из последних Нобелевских премий по химии. Ее получил Даниэл Шехтман из Израиля, который показал, что могут быть материалы запрещенной в кристаллографии оси симметрии пятого порядка.

Необходимо отметить, что в конце ХХ века несколько Нобелевских премий были как раз по материалам. Но эта Нобелевская премия отличается от других. Квазикристаллы - это тоже материалы. Даниэл Шехтман открыл их в промышленном сплаве - алюминия с марганцем.

Когда мы говорим о самых передовых открытиях, то вспоминается одна из последних Нобелевских премий по химии. Ее получил Даниэл Шехтман из Израиля, который показал, что могут быть материалы запрещенной в кристаллографии оси симметрии пятого порядка.

Он хотел сделать металлическое стекло в сплаве алюминия с марганцем. Он его выплавил, вылил струечку на медный барабан, как все делают, думал, что получит стекло. Снял на рентгенограмму и ужаснулся: там было пять пятен, вместо шести или четырех. В кристаллах нет осей симметрии пятого порядка. Из школьного примера мы знаем, что на четверть оборота квадрат опять будет выстраиваться как квадрат, ничего с ним не случится. Дальше, пятиугольник можно вертеть на одну пятую поворота. У пятиугольной фигуры можно поворачивать на угол одну пятую и получать тот же пятиугольник. Но если вы хотите из пятиугольников выложить периодическую структуру - не получится, это запрещено теоремой Пифагора.

И тогда весь мир перевернулся, потому что это было опровержение теоремы. На самом деле и другие наблюдали такой эффект, просто самым смелым оказался именно он, это отважный человек. Ему пришлось взять в соавторы трех людей - авторитетных профессоров из Англии и Франции. Премию дали за одну статью 1984 года. В этой статье четыре автора, но Нобелевский комитет правильно и хорошо разбирается во всем, и дали ему одному.

Данное открытие пока не нашло практического применения, но сам факт открытия показал, что есть другие принципы организации структуры вещества. Уникальность состоит в том, что применяются те же самые способы, как и укладка молекул в живой природе.

Человеческий организм как новый материал

Современные направление показывают, что на биологических молекулах будут основываться новые материалы. То есть появилась возможность из частей нашего организма создавать материалы.

Вся электроника, компьютеры - это кремний, двоичный код. Сейчас идут работы, чтобы память делать не на кремнии, а на биологической молекуле, у которой может быть не два состояния, а шесть или восемь. У нас в задней стенке глазного яблока есть белочек, биологическая молекула, которая хорошо высушивается и под действием электрического поля имеет шесть разных состояний. Есть публикации об этом, и наши отечественные в том числе, где проектируются такие компьютеры. Поскольку там азбука не из двух букв, они проектируются на китайских иероглифах. Каждая единичка - иероглиф, понятие.

Вся электроника, компьютеры - это кремний, двоичный код. Сейчас идут работы, чтобы память делать не на кремнии, а на биологической молекуле, у которой может быть не два состояния, а шесть или восемь.

Сталь – божественный подарок

Оружие массового поражения на границе бронзового и железного века появилось благодаря стали. Когда удалось приготовить в большом количестве стальные наконечники стрел, появилась лучники, которые, отпуская тетиву, создавали психологический эффект ведения боя. И это сделала сталь. Она мягкая и позволяет сделать из нее что-то очень сложное. А при нагревании и помещении в воду она становится прочной. Это чудо.

Это явление закалки - божественный подарок. Тот, кто занимается сталью, обязан все знать про углерод. Потому что сталь - это железо с углеродом - волшебный союз.

Закалка стали на современном языке - это самопроизвольное образование наностурктуры. Этот процесс можно сравнить с расположением зрителей в театре. Зрители - это атомы углерода, они вынуждены сесть упорядоченно в ряды. Но вот детали рассаживания будут зависеть от того, как охлаждать. Среды для закалки бывают разные. Не только вода, а соленая вода, сода, жидкий свинец, расплавленный цианистый калий – при помощи которого достигаются самые лучшие свойства. Сталь внешне становится очень красивой. В цианистом калии еще изменяется состав поверхностных слоев, который и придает особые свойства.

Основная деталь в старых зингеровских швейных машинках – шпуля - делалась как раз с применением процесса цианирования, поэтому они работают вечно.

Детский Университет: веселая наука

Thu, 29 Nov 2012 20:52:37 +0400

Детский Университет действует в Польше с 1987 года. Он реализует образовательные программы для детей 6-13 лет на основании активных метоов обучения - и с привлечением к преподаванию настоящих университетских специалистов.

Задача Университета - создание у детей глубокого интереса к наукам, на основе поощрения естественной детской любознательности, которая зачастую оказывается подавленной традиционным школьным подходом. Польский культурный центр и агентство Improve во второй раз представили программу университета для москвичей в Политехническом музее с 20 по 28 октября, включавшую воркшопы по химии, физике, биологии и геологии. Корреспондент Pro Science Кирил Меламуд побеседовал с Моникой Коперской и Якубом Милчареком (Ягеллонский университет, Краков), сотрудниками Детского Университета, посетившими осенью 2012 года Москву.

Чем вы занимаетесь в Ягеллонском университете?

Моника Коперска То, что мы делаем, находится на стыке научных дисциплин, занимающихся консервацией и сохранением объектов, на границе между искусством и наукой: изучаем химический состав бумаги, производившейся в Европе с середины девятнадцатого века до конца двадцатого. В настоящее время мы исследуем деградацию текста, красок, картин с химической точки зрения. Наша работа ведётся в сотрудничестве с краковскими музеями, мы стараемся сохранить все эти вещи для будущих поколений.

Якуб Милчарек Мы также участвуем в создании нового проекта, посвящённого сохранению марок, конвертов, открыток и других предметов коллекционирования.

У вас лаборатория в университете?

М.К. Да, на химическом факультете Ягеллонского университета.

Каким образом вы стали сотрудничать с Детским Университетом?

Я.М. Нас пригласили прочитать лекцию о химии дома, и у нас был выбор: говорить о химии на кухне, в ванной или в другой части дома. И мы решили говорить о мыле и мытье.

М.К. С одной стороны, то, что происходит в процессе мытья, очень интересно как химическая реакция. А с другой - мыло всегда используется для развлечения - ведь из него можно делать мыльные пузыри! Это яркий способ показать детям, что наука может быть весельем, что даже на самые повседневные дела, такие как мытье рук, можно посмотреть с такой необычной стороны. Я надеюсь, что у нас получилось использовать это в нашей лекции.

Ваш метод работы с детьми - собственной разработки, или кто-то научил вас в университете или Детском Университете?

Я.М. Мы много обсуждали, делились идеями, какие-то из них были отброшены, другие претерпели определенные изменения.

М.К. Мне кажется, что наш микротеатр, который мы делаем с детьми - вещь достаточно необычная. Обычно такого не делают... Мы просим детей стать молекулами.

Я.М. Да, самое главное - это наш Микромолекулярный театр! Мы просим детей превратиться в соль, в воду.

Самое главное - это наш Микромолекулярный театр! Мы просим детей превратиться в соль, в воду.

М.К. И в грязь!

Это уже пошла психология!

М.К. А большинство детей хотят быть грязью!!

Это вполне логично, ведь грязь символизирует безсознательное!

М.К. Возможно, вы объясните это лучше, чем мы. Мы верим в то, что оказываясь в роли молекулы, ребенок лучше начинает понимать, что там происходит, как-будто попадает на уровень элементарных частиц.

Они понимают это на телесном уровне.

М.К. Да, своим собственным телом.

Когда Детский Университет приглашал вас, откуда он знал, что вы - те самые люди, способные работать с детьми?

Я.М. Нашему руководителю в университете предложили прочитать лекцию, а он спросил у нас, было ли бы нам интересно поучаствовать в такой игровой обучающей программе. Мы составили эту лекцию, выступили с ней несколько раз в Польше, потом нас пригласили в Москву.

М.К. Мы оба занимаемся изучением способов передачи научной информации, много работаем в этой области.

Я.М. У нас большой опыт в обучении людей искусству учить других. Вот например, как доносить информацию до детей. Мы учим людей выступать на конференциях. Как привнести в свое выступление элемент театральности.

М.К. Мы хотим преодолеть эту пропасть, отделяющую людей, их повседневную жизнь, от науки. В этом смысле наиболее продуктивно именно общение с детьми, поскольку они - будущее нашего общества. Поэтому мы сразу заинтересовались этой идеей.

Я.М. Интересно, что общение с детьми сильно отличается от общения со взрослыми, потому что дети всегда задают очень странные вопросы*. Приходится постоянно перескакивать с темы на тему, иногда объяснять самые простые вещи, очевидные для взрослых, самым простым языком.

Значит, возможно, учителю необходимы какие-то особые качества, например, умение быстро менять тему разговора.

М.К. Может быть, учителю важно перестать задавать вопросы и позволить детям начать задавать их. Потому что все привыкли к тому, что в школе детям запрещено задавать вопросы. Здесь спрашивает учитель. Их интерес к миру - как он устроен, как все в нем действует - он в некотором роде оказывается подавлен.

Может быть, учителю важно перестать задавать вопросы и позволить детям начать задавать их

Я.М. Особенно важно уметь и любить играть с детьми в научном ключе. Надо стать членом их группы.

М.К. Вы должны быть на одном уровне с детьми.

Это очень интересно. И каково же методологическое основание такого подхода?

Я.М. Можно напомнить слова Ричарда Файнмана: «Никогда не думайте о темах, думайте о проблемах». Неважно, идет ли речь о кинетике, динамике или электричестве, есть проблема энергии, ее передачи.

М.К. И дети не проводят границ: это химия, это физика, это география. Они ставят общие вопросы: как все это устроено. И мы стараемся думать в таком ключе. Дети помогают нам, они задают вопросы, которые не пришли бы нам в голову, и затем мы включаем их обсуждение в лекцию.

А другие ученые, работающие с Детским Университетом, тоже разделяют подобный подход?

М.К. Детский Университет - прекрасная группа людей, объединенных общим взглядом. Все мы ощущаем, что разговор с детьми - лучшее вложение времени. В Университете множество лекций по различным предметам, в том числе по политике, экономике. Некоторые из преподавателей намного старше нас, и они также стремятся к тому, чтобы говорить на максимально понятном языке, чтобы не испугать детей сложными терминами.

Я.М. Самое удобное - сравнить вещи, которые трудно объяснить, с простыми, известными детям из жизни.

Все мы ощущаем, что разговор с детьми - лучшее вложение времени.

М.К. Все больше и больше ученых в Польше стремятся сотрудничать с Детским Университетом, либо выходят с рассказом о науке к широкой аудитории. Ведь познание окружающего мира - одна из лучших вещей в жизни человека.

Заметили ли вы какую-то разницу между детьми в Польше и в России?

М.К. Да. Не знаю почему, но дети в России намного активнее проявляют себя, постоянно тянут руки. Они по-настоящему стремятся к знанию.

Я.М. Может быть, они более открыты...

Меньше стесняются?

М.К. Нам по-настоящему понравилась их увлеченность. Очень приятно работать с такой аудиторией.

Что вы хотели бы сказать читателям Полит.ру на прощание?

М.К. Не бойтесь задавать вопросы. Учитесь у детей, ведь они все время задают вопросы. И это круто.

*P.S. «Там спрашивали что может раствориться в воде, а что нет. Мы сказали, что камень не может раствориться. Больше всех сказали, что камень не растворится. Ну еще там сказали, что камень все-таки может раствориться в воде, только долго очень. Он затупится, затупится, затупится, затупится - потом вообще пропал»

Сергей Пономаренко: «Электронику можно будет "печатать" из растворов функциональных чернил»

Wed, 28 Nov 2012 22:13:44 +0400

Сергей Анатольевич Пономаренко - доктор химических наук, заведующий лабораторией функциональных материалов для органической электроники и фотоники Института синтетических полимерных материалов РАН, член-корреспондент Российской академии наук. Перед вами - краткое содержание беседы Сергея Пономаренко с Дмитрием Ицковичем и Борисом Долгиным, состоявшейся в рамках передачи «Наука 2.0.» (совместного проекта информационно-аналитического портала «Полит.ру» и радиостанции «Вести FM»)

Все знают электронику, которая основана на кремнии или других неорганических полупроводниках или проводниковых материалах. При этом есть так называемые органические материалы, состоящие из углерода, водорода, азота, кислорода и других элементов, которые составляют органический мир. Как правило, такие материалы являются диэлектриками и широко используются и в обычной электронике именно в этом качестве.

В последнее время Нобелевские премии присуждаются именно за те открытия, которые сильно влияют на нашу жизнь или в будущем повлияют, это не чистая наука.

Но некоторое время назад ученые открыли, что ряд органических соединений обладает также и полупроводниковыми или проводниковыми свойствами. Если быть совсем точным, то органические полупроводники были открыты еще в 40-х годах прошлого века, но результаты этого открытия стали широко применять существенно позже. В 1977 году группа ученых, два американца и один японец - Хигер, Мак-Диармид и Сиракава - стали изучать свойства полиацетилена. Это полимер, состоящий из сопряженных ацетиленовых звеньев, который при этом обладает металлическим блеском. Полимер, а блестит! Ученые этим фактом очень заинтересовались, стали изучать его электрические свойства, и оказалось, что его можно еще дополнительно допировать йодом, то есть окислить с образованием некоторого соединения с йодом, и проводимость при этом возрастает на 10 порядков и достигает, практически, проводимости металлов. В 2000-м году Хигер, Мак-Диармид и Сиракава за свое открытие получили Нобелевскую премию по химии.

В последнее время Нобелевские премии присуждаются именно за те открытия, которые сильно влияют на нашу жизнь или в будущем повлияют, это не чистая наука.

С тех пор это направление в исследованиях стало очень быстро развиваться. Ученые поняли, что есть особый класс органических материалов, которые могут быть не только диэлектриками, но и полупроводниками, и даже проводниками.

Ученые поняли, что есть особый класс органических материалов, которые могут быть не только диэлектриками, но и полупроводниками, и даже проводниками.

Затем произошло несколько других важных открытий - с использованием некоторых сопряженных полимеров удалось получить очень интересные устройства. В частности, на полимерах был продемонстрирован так называемый полимерный светоизлучащий диод. Это устройство, которое используется для получения света того или иного цвета, при этом функциональный материал - то, что дает свечение - является полимерным полупроводником.

Движущей идеей развития органической электроники является то, что, в конце концов, электронику можно будет "печатать" из растворов функциональных чернил: диэлектрика, полимерного проводника и полимерного полупроводника. Поскольку печатные методы хорошо развиты, а сейчас газеты печатаются, скажем, сотнями метров в секунду, и если можно будет печатать таким образом электронику, то она будет очень дешевая.

Чем отличаются органические светоизлучающие диоды, что в них такого особенного? Если мы возьмем обычные источники освещения, которые мы сейчас используем - лампочка или даже неорганический светодиод, или флуоресцентная лампа - это все так называемые точечные источники – т.е. у всех у них есть центр, из которого они светятся. А в случае с органической электроникой – это не так. Мы берем, печатаем пластинку нужных размеров и формы, и вся она светится равномерно. То есть это принципиально новая область применения. Комнату можно будет освещать просто тем, что при включении света будут светиться, например, занавески, обои, стены, потолки.

Комнату можно будет освещать просто тем, что при включении света будут светиться, например, занавески, обои, стены, потолки.

Пока это очень дорого, но любая новая технология очень дорога. Когда начинались сотовые телефоны, кто ими пользовался? Только очень богатые люди. А сейчас пользуются все. Так будет и здесь, наверное.

Хотя, конечно, дело не только в экономической составляющей, остаются и технологические преграды. Дело в том, что у устройства на основе органической электроники, у того же светоизлучающего диода, есть проблемы со стабильностью по сравнению с обычной электроникой. Эти проблемы связаны с разными аспектами: и с внутренними свойствами органических веществ, на которые подают электрический ток, и с тем, что там используют электроды с малой работой выхода, например, кальциевые электроды - а кальций окисляется под действием воздуха. То есть здесь нужно делать очень эффективные барьерные защитные пленки. И это тоже отдельное направление.

Дело в том, что вообще органическая электроника - это такая междисциплинарная наука, она включает в себя и химию (это синтез новых материалов), и физику (изучение их свойств), и физическую химию (то, как эти материалы ведут себя при нагревании, при подаче электрического тока, что там, на границе раздела фаз, происходит), и работу инженеров, которые проектируют эти устройства, измеряют их свойства. И прогресс идет по всем направлениям. Появляются новые структуры - новые полимеры, новые низкомолекулярные органические полупроводники, которые, например, более эффективно поглощают свет, или проявляют большую подвижность носителей заряда, или обладают рядом других ценных свойств. Появляются какие-то новые конструктивные решения, каким образом лучше сделать устройство, чтобы оно было более эффективным. Появляются и новые проводники, например, вместо неорганических проводников все больше начинают применять органические полупроводники. Пытаются также использовать гибридные материалы, например, в органические полупроводники вводят неорганические люминофоры, например, так называемые квантовые точки.

Появляются и новые проводники, например, вместо неорганических проводников, все больше начинают применять органические полупроводники.

Финансирование науки в России ощутимо увеличилось

Я пришел в органическую электронику лет десять назад, когда поехал работать пост.доком в Германию, в немецкий концерн Bayer. Когда меня туда приглашали, они не говорили, чем я буду заниматься. Уже на месте мне сказали: мы производим органический проводник, синтетический металл - полиэтилендиокситиофен, который сейчас, кстати, широко представлен на рынке, но хотим еще заняться полупроводниками.

Там я синтезировал ряд органических полупроводниковых соединений, и мы сотрудничали с Philips и с Infinion, которые делали из них устройства. Потом, когда закончилась моя работа в Германии, я вернулся в Москву, в Институт синтетических полимерных материалов, и мне была предоставлена возможность создать свою группу, которая бы развивала это направление, которого в России у нас на тот момент практически не было.

Задача институтов Российской Академии наук - заниматься фундаментальной наукой. Поэтому мы начали синтезировать новые структуры из органических люминофоров, получили ряд новых молекул и, изучая их, открыли некоторые интересные фундаментальные эффекты. А финансировалось все это Российским фондом фундаментальных исследований и Российской Академии наук. Позже появилось финансирование от Министерства науки - по Госконтрактам.

Было и финансирование со стороны моих бывших коллег из Германии, мы до сих пор продолжаем с ними сотрудничать. Мы выполняли для них работы по заказу: синтезировали молекулы и отдавали им для исследования свойств. И это сильно помогало в работе. Потому что, зачастую, российское финансирование остается очень нерегулярным, его практически нет в начале года, оно появляется ближе к концу. А когда у вас есть постоянный партнер за границей, который вам регулярно платит за выполненные работы, это очень помогает.

Хотя при этом я могу сказать, что финансирование науки в России ощутимо увеличилось за последние годы. Еще десять лет назад те налоги, которые мы платили с договора с иностранной фирмой, полностью перекрывали нашу российскую зарплату. Сейчас это уже далеко не так.

В этом году впервые больше желающих поступить в аспирантуру, чем мы можем принять. Это связано и с тем, что науку стали больше поддерживать.

Главной проблемой науки остается бюрократия

Давно уже президент обещал раздать пять тысяч сертификатов на квартиры молодым ученым. Обещано это было в 2009 году, с тех пор выдали только 500 штук. А в этом году Медведев встретился с учеными, этот вопрос снова подняли, и выдача сертификатов продолжилась. Например, несколько моих бывших аспирантов, а теперь – научных сотрудников, получили такие сертификаты.

Но главной проблемой страны в целом и, соответственно, Академии наук остается бюрократия. И отсутствие финансирования порой - это тоже проявление бюрократии. Наши ведомства, через которые все деньги проходят, постоянно все согласовывают с кем-то.

Главной проблемой страны в целом и, соответственно, Академии наук остается бюрократия.

Мы - химики, нам надо закупать реактивы, какое-то оборудование, и это все должно происходить регулярно. Иначе ты придумал, что надо сделать новую реакцию, а реакция не идет, скажем. Можно бы взять новый реактив, но как его купить, если деньги по гранту еще не пришли?

Мы, в основном, закупаем импортные реактивы. К сожалению, у нас в стране мало что производят из органических реактивов: может, растворители только какие-то. Напрямую мы, опять же, не можем ничего закупать, поскольку мы как государственная структура и не имеем права закупать материалы за границей, мы покупаем их у посредников - у тех, которые ввозят их в Россию. И получается где-то в полтора-два раза дороже, чем это стоит нашим иностранным коллегам. И после этого мы говорим о конкурентоспособности нашей науки!