Новые научные направления современной химии и их прикладное использование (стр. 3 из 3)

- при длительности импульса τ = 10^-14 с и скорости атома v = 10⁵ см/с детектируются изменения расстояний в молекулярной системе на 0.1 Å, 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 (ППЭ) 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) 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 в химии одиночных молекул - аналитические методы. Сканирующий электронный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 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.

Рисунок 1 – Сканирующая туннельная микроскопия

Идея сканирующей туннельной микроскопии проста (рис. 1) - игла туннельного микроскопа направлена на молекулу, расположенную на поверхности твердого тела. Расстояние между иглой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не перекрывались атомные орбитали острия и поверхности. Между острием иглы и поверхностью подают напряжение. В какой-то момент напряжение, а значит, и энергия туннелирующих электронов попадает в резонанс с электронно-колебательными уровнями адсорбированной молекулы, и происходит резкий скачок проводимости. Значение напряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго индивидуально для каждой молекулы, а потому дает ее точный «портрет».

Безусловно, улучшается качество знания и его точность. Вместе с тем есть области, в которых химия одиночных молекул и связанные с ней технологии приносят действительно новые и иногда неожиданные знания. Например, гетерогенный катализ и биологическое подразделение химии ожидает подъем именно на базе новых технологий.

Химия одиночных молекул - это в первую очередь инструмент для управления химическими реакциями, а также для создания новых высоких молекулярных технологий.

Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все это необходимо для создания молекулярных конструкций — элементов наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное достижение химии одиночных молекул.

Если подытожить все, что уже научились делать с отдельными молекулами, то получится весьма внушительный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее переходить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертикали - с иглы на поверхность и обратно); помещать в нужное место и разрывать. Зачастую все эти манипуляции контролируют с помощью всего двух параметров — тока и напряжения.

Сканирующие туннельные микроскопы и родственные им приборы используют в качестве рабочих инструментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекордную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную способности. Можно направленно изменять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, электроники, техники и медицины.

2.7 Электровзрывная активация пульпы и растворов

Применение электровзрывной активации пульпы и растворов является перспективным направлением интенсификации процессов переработки минерального сырья и очистки сточных вод, повышающим степень извлечения ценных компонентов при снижении отрицательного воздействия производства на окружающую среду.

На широком экспериментальном материале изучено влияние импульсных полей взрывного типа на изменение физико-химических свойств минеральных продуктов и водных растворов. Даны электрические и гидродинамические характеристики процесса электровзрывной обработки водных гетерогенных растворов. Установлено влияние ЭВА на изменение структурных и физико-химических свойств сульфидных и окисленных минералов.

Анализ проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:

-кратковременное импульсное воздействие высоковольтным разрядом большой мощности способствует разупрочнению руды и создает условия для качественной пульпоподготовки при сокращении времени измельчения руды на 10... 15 мин по сравнению с из
мельчением без ЭВА;

-технологические особенности электровзрывной пульпоподготовки необходимо рассматривать во взаимосвязи с основными гид-
родинамическими характеристиками процесса; для процесса ЭВ пульпоподготовки существенную роль играют послеразрядные явления и вторичные волны сжатия;

-ЭВА интенсифицирует процессы сгущения промпродуктов в 2,5— 3 раза и сокращаетвремя осветления коллоидных частиц, содержащихся в сточных водах предприятий;

-под действием ЭВ наблюдается деструктивное разрушение токсичных органических реагентов, присутствующих в сточных водах многих химических предприятий; совмещение ЭВ с аэрацией диспергированным воздухом или озоно-кислородной смесью позволяет эффективно осуществить очистку от таких токсичных соединений, как цианиды, фенолы, фурфурол.

Рассмотрены перспективы применения ЭВА в различных химических технологиях переработки минерального сырья. Созданы и прошли испытания в промышленных условиях электровзрывные установки для активации минеральных пульп на Кентауской обогатительной фабрике и Норильском ГМК, по осветлению растворов на ОАО "Красноярский алюминиевый завод" и ОАО "Ачинский глиноземный комбинат", по очистке сточных вод на ОАО "Ачинский нефтеперерабатывающий завод", ОАО "Красноярский биохимзавод", Красноярский химкомбинат "Енисей".

Список литературы

1. Бутин К.П. Механизмы органических реакций: достижения и перспективы - Российский химический журнал, сер.2, том XLV, 2001, №2

2. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы – Успехи химии, 1999, том 68, с. 85-1

3. Зефиров Н.С. О тенденциях развития современной органической химии – Соросовский Образовательный Журнал, 1996

4. Саркисов О.М., Уманский С.Я. Фемтохимия – Успехи химии 2001, т.70, №6, с.515-538

5. Сумм Б.Д.,Иванова Н.И. Коллоидно-химические аспекты нанохимии от Фарадея до Пригожина – Вестник Московского Университета, Химия 2001, том 42, №5, с.300-305

6. Шепелев И.И., Твердохлебов В.П. Электровзрывная обработка водных пульп и эмульсий – Химичеякая технология, 2001 ℀1, с. 2-14, №2 с.3-18.

7. Благутина В.В. Химия одиночных молекул – Химия и жизнь, 2004, № 9, с.14-19.

8. Ивановский А.Л. Фуллерены и нанотрубки - Химия и жизнь, 2004, № 8, с.20-25.

9. Бучаченко А.Л. Спиновая химия - Химия и жизнь, 2004, № 3 с.8-13.