Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 38 из 68)

А.Т.Уинфри были открыты пространственно-временные структуры в БЖ-системе без перемешивания, возникающие и существующие в виде различных двух- и трехмерных пространственных рисунков (например, концентрических колец, спиралей, волновых фронтов и т. п.). На Рис. 11.2. показаны образцы таких рисунков.

Недавно группе учѐных из Университета в Питтсбурге в США под руководством химика Анны Балац удалось смоделировать некий гелеподобный материал, который начинает пульсировать, вступая в реакцию с определѐнными химическими веществами. Благодаря этой особенности материала исследователи надеются, что в будущем смогут использовать его для приведения в движение миниатюрных роботов и прочих механических устройств.

Рис. 11.2. Так выглядят хаотические автоколебательные процессы в реакции Белоусова-Жаботинского.

Впервые подобные гели были открыты в 1996 году сотрудниками японского Национального Института материалов и химикатов. Эти вещества, получившие название «гели Белоусова-Жаботинского» (так как механизм действия гелей сходен с механизмом реакции БЖ, см. Рис.11.2) состоят из длинных полимерных

молекулярных цепочек, а в качестве катализатора используют редкий металл рутений, по своей структуре весьма схожий с платиной. При добавлении в гель специальных азотистых соединений, в нѐм начинается колебательная химическая реакция, в результате которой рутениевый катализатор поочерѐдно то теряет, то притягивает электроны, заставляя тем самым полимерные цепочки то уменьшаться, то увеличиваться в длине. Это и приводит к пульсации вещества, которая, по словам исследователей, может длиться до нескольких часов. С помощью такого материала можно приводить в движение миниатюрных роботов, для которых он будет служить неким подобием искусственных мышц. Возможно, что впоследствии будет найден способ превращения этих пульсаций в электроэнергию, и на основе этого изобретения в будущем будет построен источник питания для ноутбуков, мобильных телефонов и прочей портативной техники.

Синергетический подход к изучению сложных и способных к самоорганизации систем привѐл к возникновению и развитию совершенно новой технологической отрасли – нанотехнологии.

11.5. Нанотехнологии

«Любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет», - вот основная идея, которая определяет назначение и возможности нанотехнологии. Из аналогии с существующими ныне микротехнологиями, оперирующими величинами порядка 0,1 - 1, 0 микрометра, или 10^-6 м, следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра, или 10^-9 м. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это переход в новое качество. Оказалось, что природные и искусственные материалы имеют совершенно разные свойства на макро- и наноуровне. Так, наночастицы золота проявляют каталитические свойства, тогда как на макроуровне слиток золота — один из самых инертных материалов. Другие материалы имеют удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических веществ применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и обладают ценными механическими свойствами, например, повышенной гибкостью. Система упорядоченных наночастиц часто проявляет необычные свойства, главным из которых является то, что сверхчистые наночастицы могут образовывать упорядоченные структуры, то есть обладают способностью к самоорганизации.

Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами, что открывает захватывающие перспективы для развития нанотехнологий. Нанотехнология, или молекулярная нанотехнология, или МНТ, - это область науки и техники, связанная с разработкой нанороботов, устройств размером порядка нанометра, состоящих из атомов, количество которых может колебаться от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч. Основное назначение таких устройств – оперирование отдельными атомами и молекулами на межатомных расстояниях, которые измеряются десятыми долями нанометра.

Импульс развитию нанотехнологии дало создание сканирующих туннельных микроскопов (scanning-tunneling microscope) СТМ или атомных силовых микроскопов (atomic-force microscope) АФМ, которые позволяют исследовать вещество на атомном уровне, то есть видеть отдельные атомы и перемещать их в пространстве (См. Рис. 12.3). За это изобретение в 1986 году группе американских разработчиков была присуждена Нобелевская премия. Нанотехнологии развиваются в трех направлениях:

- изготовление наноэлектронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; при этом можно воспроизвести нейронные интегральные схемы для компьютеров, на которые возлагаются большие надежды. В то же время, сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы.

- разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу. Они будут снабжены миниатюрным вычислительным устройством и манипуляторами, позволяющими работать с молекулами - например, перемещать их и модифицировать их структуру, т.е. заниматься молекулярной хирургией. Аналогом простейшего молекулярного робота является рибосома, строящая из аминокислот молекулу белка по «программе», которой является молекула транспортной рибонуклеиновой кислоты (см. Лекцию 18).

- непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего. Нанотехнологии в будущем, возможно, будут использовать, чтобы вернуть человеку здоровье, потому что человеческое тело состоит из атомов и молекул. Больные и старые люди страдают оттого, что молекулы, из которых состоят их тела, складываются в неправильные структуры вследствие вторжения в организм вирусов, старения клеток организма или травм. Устройства, способные переупорядочить атомы, смогут переустанавливать их в правильное положение. Нанотехнология приведет к фундаментальному прорыву в медицине.

Первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций появились ещѐ в конце XX века. Тогда же были разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. В настоящее время нанотехнологии стремительно развиваются, в частности, для производства наноэлектронных чипов и микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт. Более отдаленные перспективы применения нанотехнологий сейчас даже трудно себе вообразить.

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается особый раздел химии — супрамолекулярная, или когерентная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, самоорганизовываясь определенным способом, могут образовывать сложные наносистемы, например, наномашины. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы, например, рассмотренные в данной лекции колебательные процессы, в частности, реакция Белоусова-Жаботинского.

Рис. 11.3. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет манипулировать объектами наноразмеров

11.6. Вопросы и задания

1. Что такое «кольца Лизеганга»?

2. Как протекают реакции Брея-Либавского и Бриггса-Раушера?

3. Опишите реакцию Белоусова-Жаботинского. Почему, наблюдая за этим процессом, химик, убеждѐнный в справедливости второго закона термодинамики, восклицает: «Этого не может быть!»?

4. Опишите механизм реакции БЖ на основе схемы «хищник-жертва».

5. Что такое диссипативные системы?

6. Что изучает синергетика?

7. Дайте характеристику системам, способным к самоорганизации.

8. Каково практическое применение колебательных процессов?

9. Что такое нанотехнологии?

10. Что такое супрамолекулярная, или когерентная, химия?

Лекция 12. Реакционная способность веществ

При определенных условиях каждая химическая реакция самопроизвольно протекает в прямом или обратном направлении.

Например, при низких температурах процесс:

Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(г) ( Н = -241,8 кДж/моль)

протекает хотя и очень медленно, но целиком в прямом направлении с образованием паров воды. Однако при высоких температурах эта реакция начинает идти в обратном направлении: водяной пар разлагается на водород и кислород. В чем же причина определенной направленности химических процессов, какие факторы на эту направленность влияют? Эта проблема называется проблемой химического сродства.

12.1. Химическое сродство

Химическим сродством называют способность компонентов системы вступать в химическую реакцию друг с другом. Чтобы решить проблему химического сродства, необходимо установить, какие факторы оказывают влияние на поведение химических веществ, так что одни вещества охотно (самопроизвольно) вступают в реакцию друг с другом, а другие реагируют только в экстремальных условиях. Необходимо также определить количественную меру химического сродства.