ЭФФЕКТ АЛМАЗНЫХ НАКОВАЛЕН
Среди работ, которые химики, подводя итоги года, относят к числу
наиболее основательных, интересных и перспективных, в последнее
время называют исследования Е.БОЛДЫРЕВОЙ, старшего научного
сотрудника Института химии твердого тела и механохимии СО РАН,
кандидата химических наук. Их суть -- применение алмазных
наковален, создающих высокие давления в твердых телах, для
изучения их структур, спектров, кинетики процессов. Все это, в
конечном счете, позволяет глубже понять сам механизм процесса.
Главной задачей химиков всегда было постижение всей глубины
химической реакции, ее объяснение. Ибо в ходе этого вечного
таинства из нескольких известных составляющих рождается нечто
новое. Традиционно и много изучалось воздействие на реакции
температуры. Создавать повышенные давления сложнее, чем изменять
температуру. Возможно поэтому теория влияния давления на процессы
разработана пока значительно слабее.
-- Елена Владимировна, почему вдруг вас привлекли высокие
давления?
-- Прежде всего потому, что это интересно, трудно и пока не стало
рутиной. В мире все еще не так много исследовательских
коллективов работают в этом направлении, хотя именно в последние
годы интерес к высоким давлениям резко возрос. В нашей стране
есть своя традиция исследований процессов в условиях высоких
давлений. Очень известны работы, проводимые в научных институтах
Москвы и Подмосковья. В Новосибирске изучают влияние давления на
химические реакции и фазовые превращения в твердых телах в нашем
институте, в Институте минералогии, Институте неорганической
химии -- в разных вариантах, разными методами, с различными
целями..
Высокие давления интересны не только для химиков. Геологам они
позволяют моделировать и лучше понять процессы, происходящие в
Земной коре. Биологам исследования белков под давлением помогают
получить ответ на вопрос, как ведут себя различные организмы на
больших глубинах Мирового океана. Физики создают экстремально
высокие давления, чтобы лучше понять строение и свойства веществ.
Многие исследования имеют ярко выраженный прикладной характер,
финансируются крупными фирмами. Например, техника высоких
давлений позволяет понять процессы образования и свойства газовых
гидратов. Это как раз то, чем в последние годы активно занимаются
у нас в Новосибирске совместно сразу несколько групп из разных
институтов. Процессы под давлением интересуют фирмы,
представляющие пищевую промышленность -- в последнее время
давление все чаще используется как метод обработки и консервации
пищевых продуктов, альтернативный тепловой обработке. Еще одно
важное направление, имеющее отношение к практике, -- воздействие
давления и других видов механической обработки на лекарственные
препараты. Мы привыкли к лекарствам в таблетках, но не всегда
задумываемся над тем, что при изготовлении таблеток вещество
подвергается механическому воздействию, находится под давлением,
и его свойства могут вследствие этого измениться. А вместе со
свойствами изменится и воздействие на наш организм. Вариантов
исследований очень много. После того, как для создания высоких
давлений стали использовать вместо громоздкого оборудования
миниатюрные алмазные наковальни, развитие исследований стало
особенно бурным.
-- Чем же они так хороши, алмазные наковальни?
-- Раньше работа с высокими давлениями ассоциировалась непременно
с громоздким тяжелым оборудованием -- прессами, автоклавами.
Бытовало расхожее представление, что у специалистов по высоким
давлениям руки должны быть непременно по локоть в масле. А
современные алмазные наковальни могут поместиться у меня на
ладони, хотя давления в них создаются на порядки выше, чем в
автоклавах. Нагрузка приходится на маленькую площадь, за счет
этого создается высокое давление. То, что наковальни миниатюрны,
позволяет легко совмещать их с различными приборами. Например,
вращать на четырехкружном дифрактометре, как вращают в обычном
структурном анализе свободные кристаллы. Прозрачность алмазов для
самых разных излучений -- рентгеновского, инфракрасного,
видимого, ультрафиолетового -- позволяет проводить
спектроскопические и дифракционные исследования веществ in situ,
непосредственно в наковальнях в условиях высоких давлений. Это --
совершенно уникальная возможность.
-- Ваша работа не преследует решения практических задач
производства?
-- Мы пытаемся понять, что происходит в кристаллах в условиях
высоких давлений. Это, прежде всего, фундаментальные
исследования, которыми кто-то должен заниматься в любые времена,
даже, казалось бы, не самые подходящие. Но те знания, которые мы
получаем, рано или поздно помогут и решению практически важных
задач, помогут тем, кто занимается получением или эксплуатацией
веществ и материалов в условиях высоких давлений. И уже сейчас
возможные прикладные аспекты наших работ просматриваются.
-- Какой момент вы считаете началом вхождения в проблему? То
есть, в какое время вы точно определили для себя круг научной
тематики на долгие годы?
-- Как принято в Новосибирском университете, я начала работать в
одном из институтов Академгородка еще студенткой. В том же
институте, где я работаю и по сей день -- Институте химии
твердого тела и механохимии. Тогда, правда, он назывался иначе, и
расположен был в других зданиях. В нашем институте было принято
давать большую свободу выбора темы самим студентам. Инициатива
только поощрялась. Мне хотелось заниматься чем-то таким, чего в
институте раньше не делали, или почти не делали. Поэтому меня
привлекли кристаллы координационных соединений. Я начинала с
изучения превращений в них при нормальном давлении. В ходе работы
выяснилось, что во время твердофазных реакций в кристаллах
возникают механические напряжения, которые, в значительной
степени, определяют, как развивается процесс дальше. В то время у
нас в институте многие начали заниматься проблемой взаимосвязи
"механические напряжения за счет самой реакции -- реакционная
способность", на разных объектах и в разных аспектах. Был очень
хороший семинар, было с кем вести обсуждения и споры, у кого
учиться. А дальше работы развились в разных направлениях. Кто-то
ушел в прикладные разработки, кто-то продолжил данной проблемой
заниматься как фундаментальной. Мне захотелось попробовать для
понимания роли механических напряжений в твердофазных
превращениях приложить к кристаллу максимально контролируемую,
"самую простую для понимания и описания" нагрузку -- изотропное
гидростатическое давление -- и проследить за изменениями в
строении кристалла, в подвижности отдельных фрагментов, в
протекании тех же химических реакций, что я ранее изучала в
нормальных условиях. Тогда-то и появились мои первые работы с
алмазными наковальнями. 7 лет назад, в 1991 году. Честно говоря,
тогда я не думала, что они меня так затянут.
-- Значит, ваши объекты исследования -- координационные
соединения?
-- Да, и в последние годы также молекулярные кристаллы
органических соединений. Мы недавно начали интересные работы с
коллегами из нашего же института по изучению влияния давления на
кристаллы соединений, применяемых в качестве лекарственных
препаратов, например, парацетамола.
-- Трудно работать с алмазными наковальнями?
-- Методически довольно трудно. Когда-то это считалось очень
большим искусством. После того, как алмазные наковальни стали
серийно изготовляться и продаваться, у некоторых исследователей
возникла иллюзия, что главное -- купить их, и дальше все пойдет
само собой. Но все на самом деле гораздо сложнее. Это очень
кропотливая работа, требует не только навыков и опыта, но и
бесконечного терпения. Встречается множество подводных камней.
Часто работа нескольких месяцев идет насмарку из-за одного
неверного движения. Я с огромным уважением отношусь ко всем, кто
с этой техникой работает. Как правило, у каждого из них множество
своих "ноу-хау", накопленных годами тяжелого труда -- как
кристалл взять, как и чем его закрепить, как отверстие диаметром
в доли миллиметра очень точно в металлической прокладке
просверлить, как устранить неизбежные искажения спектра или
дифракционной картины... Если бы я заранее знала все
непредсказуемости и трудности этой работы, подумала бы не один
раз, стоит ли за нее браться!
-- А у кого вы учились этой технике?
-- Так сложилось, что собственно технике я училась в Германии, в
Марбурге. Там в университете давно ведутся исследования при
высоких давлениях, работают уникальные специалисты. Сами делают
наковальни "под задачи", а не покупают некоторый
"обобщенно-усредненный стандарт". Я узнала о них из обыкновенного
справочника "Кто есть кто в университетах Германии", написала,
что хотела бы приехать и попробовать поработать на их
оборудовании. Можно относиться как к чуду, что они откликнулись и
даже приложили усилия для того, чтобы я смогла приехать к ним --
получили для меня грант Немецкого Исследовательского Общества, на
месяц. Очень маленький, без оплаты дороги, но дававший
возможность начать работу. Любой экспериментатор поймет, что один
месяц на эксперимент, тем более новый и незнакомый, -- немыслимо
мало. Но выбора не было. Я поехала, постаравшись подготовиться
дома как нельзя лучше, чтобы в Германии ни минуты не терять зря.
Не только все образцы дома синтезировала -- на весь месяц
эксперимент по минутам (без преувеличения!) расписала и все
варианты просчитала. В Марбурге работала практически
круглосуточно, с огромным напряжением, но успела за месяц сделать
от начала и до конца работу, получить интересные и необычные
результаты. В Новосибирске коллеги из Института катализа
дополнили мои эксперименты теоретическими расчетами, и мы смогли
опубликовать совместно с немцами большую статью в хорошем
журнале. Сразу, как только статья вышла, удалось получить новый
грант Немецкого Исследовательского Общества, опять на месяц.
Сделала за этот месяц еще одну статью. И еще раз -- так же. В
1995 году получила Гумбольдтовскую стипендию на два года. Это и
позволило замахнуться на более долгосрочные эксперименты . Сейчас
у нашего Института с Марбургским университетом подписан договор о
сотрудничестве, который финансируется Немецким и Россйским
министерствами науки. Уже не я одна в Марбург езжу. Две
сотрудницы в прошлом году там провели эксперименты, в этом году
одна из них снова едет. Немцы стали к нам приезжать. Для нас в
таком сотрудничестве очень важно, что мы работаем по своей
институтской тематике, используя уникальное оборудование
Марбурга. Это действительно равноправное партнерство, в котором
мы очень заинтересованы.
-- А у немцев-то какой интерес?
-- Лучше бы у них самих спросить. Мне кажется, для немцев важна
возможность необычных, новых, интересных приложений их методик.
Люди, с которыми я работаю, раньше никогда с нашими объектами не
сталкивались и решением подобных задач не занимались. А
настоящего ученого перспектива сделать что-то новое не может не
привлекать. Ну и чисто формальная сторона сотрудничества -- уже с
десяток совместных статей в хороших журналах.
-- Есть ли у вас, Елена Владимировна, результаты, которыми вы
можете гордиться?
-- Разве есть исследователь, у которого таких результатов нет?
Все мы чем-то да гордимся. Мне очень дороги результаты последних
лет. Особенно два из них.
Первый -- изучение анизотропии деформации кристаллической
структуры одного из соединений при давлении до 45 тысяч атмосфер.
Само по себе давление невысокое для тех, кто работает с алмазными
наковальнями. Но у нас были соединения со сложной структурой, с
большим числом уточняемых параметров, и удалось получить данные,
по качеству не уступающие тем, что были при исследовании
свободных больших кристаллов при атмосферном давлении, вне камеры
высокого давления. Такая же точность нахождения длин связей,
углов между связями. Своеобразный рекорд в этой области.
Результаты вызвали сразу большой интерес у тех, кто занимается
дифракцией в алмазных наковальнях. За счет того, что удалось
достичь такой точности, мы смогли наблюдать ряд очень тонких,
интересных, необычных эффектов. Интерпретировали их через
различную сжимаемость водородных связей разных типов в
кристаллической структуре. Сам эксперимент занял в общей
сложности два года. Первый год -- чисто подготовительная работа,
методическая. Продвигались маленькими шажками, подробнейшим
образом описывая каждую мелочь, много раз приходилось начинать
все с начала. Казалось -- Сизифов труд. Ни одной публикации на
тему за весь год черной работы. И это был первый год
Гумбольдтовской стипендии, за который надо было отчитываться, и
от которого зависело, продлят ли стипендию на второй год! Я очень
благодарна Фонду Гумбольдта за то, что они, получив мой отчет без
единой публикации, с описанием только подготовительных
экспериментов, поверили, что результаты будут, что время (и
деньги Фонда!) не напрасно потрачены, -- и разрешили продление.
За второй год действительно появился сразу десяток статей в
разных журналах.
Вторая работа методически, может быть, менее сложная, хотя тоже
кропотливая и долгая, связана с изучением влияния давления на
кинетику одной из внутримолекулярных твердофазных реакций.
Результаты, на первый взгляд, были очень странные -- давление
ускоряло реакцию, идущую с увеличением объема, хоть и небольшим,
но увеличением. Пришлось много раз перепроверять результаты,
думать, ставить новые эксперименты, прежде чем ларчик открылся.
И, конечно, просто открылся -- оказалось, все дело в сильной
анизотропии сжатия структуры под давлением и сильной анизотропии
растяжения той же структуры в ходе реакции. Мы показали, что в
ходе реакции, хотя объем интегрально немного возрастает, в
отдельных направлениях кристаллическая структура сжимается, и
очень заметно. И в этих же направлениях та же структура сжимается
при наложении гидростатического давления. Для протекания реакции
деформация структуры именно в этих направлениях оказалась гораздо
важнее, чем суммарное изменение объема. Молекула, участвующая в
превращении, чувствовала, прежде всего, что происходит в
непосредственной близости от изменяющего свою координацию
фрагмента, а не где-то далеко от него. Разобрались, эффект
получил объяснение. Но сам по себе факт показывает, что если
сравнивать, как деформируется структура кристалла под давлением,
а как -- в ходе реакции, и изучать, как влияет повышение давления
на скорость химического превращения, можно глубже понять механизм
реакции.
-- У вас есть представление о том, когда ваши исследования примут
завершенную форму?
Пока мы в самом начале пути. В то же время, наша работа, как и
всякая другая, состоит из фрагментов, вполне самостоятельных.
Часть уже имеет конечный результат. Мне пришлось привыкнуть к
фрагментарному планированию большой работы из-за того, что
эксперименты до сих пор выполнялись по краткосрочным грантам, за
границей, когда я была очень жестко зажата временными рамками. На
каждый короткий отрезок времени надо было ставить вполне
конкретную задачу, имея в виду возможность завершить работу даже
одного только месяца публикацией. Если когда-нибудь смогу вести
те же эксперименты дома, надеюсь расширить рамки работы,
попробовать новые системы, систематически менять в них межатомные
взаимодействия. Очень интересно было бы поработать в контакте со
специалистами из других институтов Академгородка -- у них есть и
интересные объекты, и большой опыт, и свои методики, которые
могли бы дополнить наши. Думаю, и им могло бы оказаться
интересным и полезным то, чему научилась я и работающая со мной
группа.
-- У вас большая группа?
-- Нет, маленькая, но очень работоспособная. И мы сотрудничаем с
другими группами в нашем институте, в Академгородке, в России, за
рубежом.
-- Я так поняла, что до сих пор вы все эксперименты выполняли в
Германии?
-- Эксперименты в условиях высоких давлений -- да. Другие, с ними
связанные, а также обработку и теоретические расчеты -- дома, в
Новосибирске. Очень мечтаю о возможности проводить дома и
эксперименты в условиях высоких давлений.
-- Есть ли возможность превратить мечту в действительность?
-- Вроде бы. Но я бы не хотела много об этом говорить сейчас,
чтобы не сглазить. Давайте лучше вернемся к этому разговору, если
мечта сбудется и появятся новые результаты, полученные уже "на
родной почве".
Подготовила Л.Юдина, "НВС".
г.Новосибирск.
стр.
|
