Недавно в Институте общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова были синтезированы совершенно необычные соединения. Представьте себе икосаэдр - любопытный и довольно редко встречающийся в повседневной практике тип многогранника. Понимаю, что нелегко вообразить эдакую ячеистую башню из двадцати треугольных граней, тридцати ребер и двенадцати вершин, в каждой из которой сходится пять ребер. Такое "сооружение" и синтезировано учеными ИОНХа. Разумеется, "возведение" его преследовало вполне конкретную научную цель: создать гигантский кластер.
Здесь необходимо сказать, что химия кластерных соединений - интенсивно развивающееся в последние годы научное направление. Находится оно, как принято сейчас говорить, на стыке неорганической, элементоорганической химии, катализа, биохимии, коллоидной химии, физики ультрадисперсных систем, физики поверхности и электронного материаловедения. Химия кластерных соединений - развитие и продолжение химии координационной. А ее становление связано с достижениями русской и советской науки.
Кластерами называют такие соединения металлов, молекулы которых содержат обрамленный лигандами (молекулы или ионы в комплексных соединениях, непосредственно связанные центральным атомом-комплексообразователем) остов из атомов металлов, находящихся на расстояниях, допускающих прямые взаимодействия "металл - металл".
Не так давно английские исследователи сообщили в прессе как о выдающемся достижении национальной химической науки о синтезировании кластера с 28 атомами металла. С 28! А в ИОНХе создан гигант из 561 атома.
Та самая ажурная "башня", с которой я начал рассказ о кластерах. 560 атомов палладия "роятся" в ней в пяти слоях вокруг одного центрального. А на поверхности икосаэдра располагаются 60 молекул азотистого основания.
Вся конструкция - металлический остов и связанные с ним азотистые основания - несет положительный заряд +180, Вокруг такой конструкции размещаются ионы ацетата (сложных производных уксусной кислоты), компенсирующие заряд кластера, в результате чего все соединение электрически нейтрально. Такие кластеры в отличие от обычного металла (его называют компактным) растворяются в полярных (вода, спирты, уксусная кислота и т. д.) растворителях и в них способны осуществлять ряд необычных реакций органических соединений.
Химия кластеров не только расширила наши представления о строении материи, но уже дала практике удивительные катализаторы. Чем больше атомов металла в основании кластера, тем уникальнее, разнообразнее его возможности. Гигант из 561 атома палладия - химическая сенсация. Ведь кластерные катализаторы работают при комнатной температуре. Аналогию с ними выдерживают только те системы, что заложены природой в живом организме.
А спрос международного рынка на продукцию координационной химии все растет и растет. И в первую очередь на платиновые металлы, без которых не может сегодня обойтись ни электроника, ни электротехника. И здесь вновь пришлось обратиться за помощью к фундаментальным исследованиям. Автору этой книги и его коллегам удалось установить, например, что простые и двойные окислы платиновых металлов обладают металлическим характером проводимости только в том случае, если атом платинового металла имеет строго определенную электронную конфигурацию. При других электронных конфигурациях те же окислы становятся уже... полупроводниками. То есть их электрические свойства меняются.
Что же дает практике выявленная закономерность?
Возможность направленного синтеза соединений с заданными электрическими свойствами. Перспективно и использование достижений координационной химии в области создания неорганических материалов. Достаточно напомнить, что основные гидрометаллургические процессы в производстве редких, цветных, благородных, радиоактивных металлов непременно включают образование их координационных соединений. Так что детальное изучение этих процессов непременно будет способствовать разработке новых электрохимических и гидрометаллургических методов производства металлов.
Уже сегодня самое широкое применение нашли координационные соединения при получении металлов высокой степени чистоты, материалов для квантовой электроники, микроэлектроники и других областей новой техники. Недаром, оценивая значение "заслуг" координационной химии вообще и советской ее школы в частности, известный английский химик Дж. Чатт сказал: "...создание таких аппаратов современной техники, как атомные реакторы и ракеты, потребовало исследовать заново химию металлических элементов для нахождения лучших способов их очистки и получения новых материалов, пригодных для продолжительного использования в напряженных физических условиях. Возможно, не случайным было и то, что единственная страна, которая посвятила значительную часть своих усилий в области химических исследований в 20-30-х годах разработке координационной химии, была и первой страной, пославшей ракету на Луну".
Координационная химия активно вторгается в такую актуальную область современной промышленности, как энергетика. Речь идет прежде всего о химии гидридов (соединений с водородом) металлов и бора. Перспективы многоцелевого применения водорода в химической промышленности, а в будущем, возможно, и в энергетике - мощный стимул развития координационной химии гидридов. И советские ученые уже внесли важный вклад в развитие этой области.
В нашей стране ведутся систематические поиски и так называемых энергоемких соединений, все шире используемых в качестве сильных неорганических окислителей. Сюда в первую очередь следует отнести координационные соединения, в которые в качестве лигандов входят окислители. Большие успехи достигнуты в области синтеза и исследований другого класса неорганических соединений - фторидов и окислов галогенов и инертных газов.
Многого можно ожидать от исследований механизма действия микроэлементов, играющих важную роль в жизни растений и животных. А ведь понимание природы соединений, в форме которых микроэлементы окалываются активными, как соединений координационных, ставит науку о микроэлементах на качественно новый, современный уровень. Так, например, только "взгляд" на витамин B12 с позиций координационной химии позволил в свое время ученым понять, почему столь благотворным оказывается для организма это координационное соединение кобальта. Быстрое развитие биоорганической химии непосредственно связано также с выяснением важной роли координационных соединений в основных процессах жизнедеятельности и прежде всего фотосинтеза, дыхания, во время которого происходит обратимое присоединение кислорода к гемоглобину, с выяснением механизма действия биологических мембран.
Большой вклад в изучение мембраноактивных соединений, способствующих избирательному переходу ионов металлов через биологические и искусственные мембраны, а также изучение механизмов мембранного транспорта в клетке принадлежит школе академика Ю. А. Овчинникова.
Или, скажем, такой пример всепроникаемости, всеобъемлемости координационной химии: один из важнейших процессов в круговороте веществ в природе - фиксация азота воздуха микроорганизмами - невозможен без участия ее соединений. Именно поэтому нахождение способа такой фиксации при обычной температуре и давлении - задача, над которой сегодня работают многие химики мира.
Одним из первых биокоординационной химией начал заниматься уже упоминавшийся мной академик А. А. Гринберг еще в 30-х годах, осуществивший систематические исследования в области биоактивных координационных соединений кобальта. И в том, что в ближайшие годы поле деятельности координационных соединений в качестве физиологически активных и лекарственных препаратов значительно расширится, нет никаких сомнений.
Уже сегодня широко ведутся исследования по применению координационных соединений платины в химиотерапии опухолей, изучаются взаимодействия соединений металлов платиновой группы с ДНК и другими важными в биохимическом плане лигандами, продолжаются поиски корреляций между биологической активностью и физико-химическими свойствами комплексов.
Успехи координационной химии ярко проявились в аналитической химии. Так, развитие учения об изменении цвета органических реагентов, входящих в качестве лигандов во внутреннюю сферу комплексов, привело к созданию реагентов-индикаторов многоцелевого назначения типа "Арсеназо-П", и "Арсеназо-Ш" и многих других, получивших широкое распространение благодаря работам советских исследователей.
Координационная химия все шире, разностороннее используется науками о Земле, оказывая решающее влияние на развитие геохимии, минералогии и петрографии.
Советские ученые были пионерами в разработке механизмов рудообразования некоторых цветных и редких металлов на основе координационно-химических представлении.
Так глубокие теоретические исследования влияния комплексообразования меди на формирование ее минералов, выполненные советскими учеными, вызвали живой интерес международной геологической общественности.
Эти работы вскрыли общую связь между состоянием ионов металла в растворе и составом кристаллизующегося из него минерала, заставив геохимиков по-новому оценить многие природные наблюдения. Недаром, характеризуя их, академик Д. И. Щербаков писал: "Эти существенно новые принципиальные взгляды по-новому ставят проблему практических поисков".
Именно подход с координационно-химических позиций к проблемам геохимии внес революционные изменения в утвердившиеся, ставшие традиционными, незыблемыми представления. Теперь уже можно считать доказанным, что в сложных по составу поверхностных и глубинных природных водах перенос большинства металлов осуществляется в виде координационных соединений.
Такой новый подход позволил обнаружить в старом - новое, в природных растворах - комплексные ионы различного состава, устойчивые как при низких, так и при высоких температурах, и связать поведение рудных компонентов с гидрохимическим типом вод и активностью присутствующих в них лигандов.
Что только не умеет сегодня координационная химия:
В какие области науки и техники не проникла! Но, как говорится, кому много дано, с того и спрашивается больше. Вот почему именно с координационной химией, у истоков которой стоял замечательный русский ученый Л. А. Чугаев, мы и связываем свои надежды с решением важнейших практических задач.
Это с ее помощью мечтаем получить из угля необходимые индустрии химические продукты и моторное топливо, сэкономив при этом дефицитнейшую нефть. Мы возлагаем на нее надежды в получении новых медицинских препаратов, в том числе и для борьбы с раковыми опухолями, и думаем, что именно она поможет синтезировать в будущем столь необходимые продукты питания. А почему бы и нет? Ведь все, что планировал, что предвидел Л. А. Чугаев, по существу, уже сбылось или стоит на пороге реализации. И ему, исследователю и мечтателю, принадлежат слова, всецело относящиеся к нашему времени, характеризуемому всесильностью химии: "Единственной разумной причиной, до сего времени препятствовавшей развитию фабрикации искусственных пищевых продуктов, была высокая стоимость этих последних при дешевизне продуктов естественных.
Однако глубокие научные, экономические и социальные изменения, происшедшие в XX веке, заставляют произвести переоценку многих ценностей... Что еще вчера казалось праздной мечтой во вкусе Уэллса, завтра может оказаться основанием для вполне реального и осуществимого плана. Я хочу сказать, что настало время, когда надлежит серьезно взяться за разработку вопросов, связанных с получением синтетических и вообще искусственных веществ. Особое внимание следует обратить на получение основных видов питательных веществ - углеводов, жиров и белков; необходимо разработать способы искусственного получения пищевых продуктов из "непитательных" материалов. Не менее важно широко заменять непитательными материалами пищевые продукты или изделия из них, употребляемые в технике для целей, питанию посторонних".
На этом, пожалуй, можно было б и завершить рассказ о достижениях отечественной координационной химии, если б не одна историческая справка. Дело в том, что в 1934 году Платиновый институт, основанный Л. А. Чугаевым, перестал существовать. Нет, он не был упразднен, на него не обрушились организационные кары в виде переориентации. Но слившись с Институтом физико-химического анализа, основанным одновременно с ним академиком Н. С. Курнаковым, и Лабораторией химии - детищем М. В. Ломоносова - о" стал частью вновь созданного Института общей и неорганической химии Академии наук СССР. Этот институт, сменив на посту директора академика И. И. Черняева, я и имею честь возглавлять вот уже четверть века. И, честно говоря, очень надеюсь, что за эти годы наш коллектив не посрамил тех славных традиций, что были свойственны двум первым Советским академическим научно-исследовательским институтам. А в качестве эталона научной деятельности, преданности делу и Родине каждый сотрудник давно избрал для себя труд и жизнь Л. А. Чугаева. Так что под словами А. М. Горького, адресованными когда-то корифеям советской научной школы - "примите мой почтительный восторг", не сомневаюсь, готов с радостью подписаться любой из нас. От академика до вчерашнего студента...
Что нам диктует НТР!
Каких только терминов не употребляют в наши дни пропагандисты и популяризаторы научно-технических знаний, дабы охарактеризовать ту невиданную прежде взаимозависимость фундаментальных исследований и достижений практики, взлетов теоретической мысли и прикладных наук, объединенных усилий в работе над какойто одной конкретной проблемой и бесконечного множества направлений, что свойственны современности!
Каких слов не напридумали газетчики, журналисты да и сами ученые, чтобы хоть как-то свести воедино процесс почти одновременно происходящих дифференциации и интеграции, стыкования и размежевания, объединения и разъединения знаний.
Причем, каждое из этих явлений - итог поисков, изучений, исследований, ведущихся сегодня в академических и отраслевых институтах, в вузовских и заводских лабораториях. Нынешнее поколение людей - свидетель того, как рождаются новые направления и разделы науки, а старые, испокон веков почитавшиеся за классические представления, вдруг обретают контуры вроде бы даже и незнакомые. Уж не очередной ли то "кризис"
классической науки?
Ни в коем случае. Здесь налицо явление прямо противоположное совершенствование знаний, происходящее по неумолимым законам научно-технической революции. Познать, творчески осмыслить - значит, внести свой вклад в проблему ускорения технического, экономического, а в конечном счете и социального прогресса страны. А вот как это сделать, советов и рекомендаций спросить негде и не у кого. Только интуиция ученого, его понимание внутренних механизмов развития науки способны предвосхитить судьбу, иногда едва лишь намечающегося направления поиска. Причем наличие "наработанного" самыми разными науками материала нередко определяет прогресс целой отрасли народного хозяйства, не связанной с ними прежде никакими творческими контактами.
Мне, например, посчастливилось стоять у истоков повой области научных исследований. Дело в том, что еще в 1979 году в одной из лабораторий нашего института, руководимой профессором В. Б. Лазаревым, впервые в стране были получены путем химического синтеза и исследованы сложные оксиды редкоземельных элементов. Тогда же ученые ИОНХа установили сенсационный факт: оксокупрат лантана и твердые растворы на его основе обладают металлическим характером электропроводимости. Пролежав в лаборатории 8 лет, ионховские образцы этих удивительных материалов прекрасно сохранили, как установлено исследованиями Института физических проблем АН СССР в 1987 году, способность к переходу в сверхпроводящее состояние. И в том, что сегодня на образцах оксидной керамики в системе иттрий - барий - медь - кислород, полученных независимо друг от друга исследователями сразу нескольких отечественных коллективов (в том числе и ИОНХа), температура перехода в такое состояние поднята до 95 К и более, есть безусловная заслуга и нашего института.
А что означает прорыв в сверхпроводимость, известно не только физику и химику. Это шаг к невиданным успехам научно-технического прогресса. История этого поиска началась давно. Еще в 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес, работая с ртутью, установил удивительный факт: при температуре, близкой к абсолютному нулю, этот металл терял электрическое сопротивление. С тех пор во имя заманчивой мечты о создании миниатюрных генераторов гигантской мощности и линий электропередачи без потерь на сопротивлении и работали физики и химики планеты. Вот как рассказала об этом в одной из своих публикаций "Правда".
"В 1964 году американский ученый В. Литтил и советский академик В. Гинзбург предложили новые подходы к повышению критической температуры сверхпроводпиков. Затем эта задача была проанализирована в коллективной монографии "Проблема высокотемпературной сверхпроводимости", изданной в 1977 году под редакцией В. Гинзбурга и Д. Киржница. И вот в конце 1986 года швейцарские ученые Дж. Беднорц и К. Мюллер сообщили об открытии сверхпроводимости керамики лантан - барин - медь - кислород при температуре, превышающей 30 градусов Кельвина. Вскоре пришли сообщения из Японии, США, Китая о сверхпроводимости керамики лантан - стронций - медь кислород при температурах 40-50 градусов Кельвина. Аналогичные результаты были получены в ряде институтов и вузов нашей страны.
А совсем недавно в США и у нас в лаборатории, руководимой А. Головашкиным в Физическом институте АН СССР, потолок рекордной сверхпроводимости был поднят до 90-100 градусов Кельвина".
Разумеется, говорить о незамедлительном внедрении в практику новых керамических материалов значило бы обгонять события. Они еще в стадии изучения и продолжают удивлять исследователей самыми неожиданными "сюрпризами".
Потребности промышленности и сельского хозяйства столь велики и разносторонни, что не предвосхити их наука на самых "горячих" направлениях, не задумайся заранее над тем, что, в каких количествах и когда им может понадобиться тот или иной ресурс, разрыв между запросами экономики и реальными возможностями ихудовлетворения давно бы заявил о себе со всей остротой и бескомпромиссностью. И если этого все же не случается, по крайней мере в катастрофической форме, то только благодаря неизменно опережающему развитию фундаментальных наук, их уникальному свойству видеть дальше, зорче, обобщенней наук прикладных.
Но не только предвидением отличаются они от отраслевых своих "коллег". У них качественно иной характер оценки, даже, казалось бы, давно знакомых, известных явлений и фактов. Общеизвестно, например, что девяносто девять процентов земной коры составляют кислород, кремний, алюминий, кальций, магний, натрий, калий, водород, титан. Как легко сосчитать, всего девять элементов. Все остальные можно назвать редкими. По крайней мере, так обстоит дело с позиции здравой практики.
Однако химики - представители академической науки - к группе редких относят лишь меньше половины из них (не считая искусственно полученных, практически в природе не встречающихся). Таких элементов тоже немного -= около сорока. Причем, и название "редкие" ученые употребляют весьма условно, обозначая им, что данный элемент или мало распространен в природе или плохо освоен народным хозяйством, то есть не нашел пока должного применения в практике и в науке. Можно ли считать, скажем, серебро, ртуть и кадмий, содержание которых в земной коре определяется миллионными долями процента, редкими элементами?
Ни в коем случае. Ибо их многие возможности и свойства уже познаны, разгаданы и с успехом используются в разных отраслях промышленности, в свою очередь, стимулируя развитие науки и техники.
А вот германий, цирконий, церий, в сотни раз чаще встречающиеся в земных недрах, мы и поныне относим ь редким элементам.
Правда, совершенствование наших знаний постоянно вносит изменения в эту условную классификацию. Так, совсем еще недавно сурьма, ванадий, молибден, вольфрам и титан считались редкими. Ныне они настолько изучены и освоены, что уже таковыми не числятся. А их многочисленные сплавы, обладающие широчайшей гаммой возможностей, исправно служат интересам научнотехнического прогресса.
И все же "семейство" редких все еще велико. К нему относятся: литий, рубидий, цезий, бериллий, галлий, индий, таллий, германий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, селен, теллур, рений, радий, актиний, протактиний, а также благородные газы.
Вот какой солидный список. Его бы весь заставить потрудиться на нужды народного хозяйства!