Вниманию посетителей нашего сайта предлагаем десять лекций химика Артема Ромаевича ОГАНОВА (State University of New York at Stony Brook) о современных исследовательских подходах в химии и материаловедении.

Дизайн новых материалов — это революция в материаловедении, в физике и в химии. До недавнего времени материалы открывались методом проб и ошибок или с помощью каких-то счастливых происшествий. Надеяться на такие способы легкомысленно, если мы хотим открывать материалы, которые обладают нужными для нас свойствами, и открывать их систематически и быстро. В этой связи интересна возможность прогнозирования новых материалов на компьютере. Данный курс будет посвящен именно этому. Основной акцент уделяется методам предсказания с помощью компьютера различных типов материалов для практических применений, а также новых типов химических веществ и вещества планетных недр. Все эти темы в совокупности опираются на одно и то же — на революционные методы прогнозирования состояния вещества только с помощью компьютера.

Лекция №1. Новая химия под высоким давлением

Новая химия под давлением — это исключительно интересная область исследований, которая появилась несколько десятилетий назад, но за последние одно-два десятилетия совершила огромный рывок. Рывок, который поначалу был связан с изобретением новых экспериментальных методик, а сейчас продолжается благодаря существованию и изобретению новых теоретических методов — в частности, методов предсказания кристаллической структуры.

Лекция №2. Компьютерный дизайн новых материалов

Компьютерный дизайн новых материалов — это мечта, которую человечество лелеяло уже многие десятилетия. Она долгое время считалась недостижимой. Но в последние годы нам удалось приблизиться к этой мечте, а во многих случаях даже ее достигнуть. Эта мечта считалась недосягаемой, потому что проблема компьютерного дизайна новых материалов включает в себя считавшуюся нерешаемой проблему кристаллических структур.

Лекция №3. Методы предсказания кристаллических структур

Задача предсказания кристаллических структур — это основная задача теоретической кристаллографии и одна из центральных задач физики и химии. Эта задача долгое время считалась нерешаемой — не только нерешенной, но даже нерешаемой. В то же время она очень важна, потому что кристаллическая структура — это основная характеристика вещества. Если вы знаете кристаллическую структуру, если вы знаете, где находятся атомы и какого они сорта в данном материале, то вы можете предсказать практически все его свойства.

Лекция №4. Дизайн сверхтвердых материалов

Твердость — это свойство, которое традиционно измеряется путем царапания. Если один материал царапает другой, то считается, что у него выше твердость. Это относительная твердость, она не имеет жестких количественных характеристик. Строгие количественные характеристики твердости определяются путем теста надавливанием. Когда вы берете пирамидку, сделанную обычно из алмаза, прикладываете некоторое усилие и надавливаете пирамидкой на поверхность вашего тестируемого материала, измеряете силу надавливания, измеряете площадь отпечатка, применяется поправочный коэффициент, и эта величина будет твердостью вашего материала.

Лекция №5. Запрещенные химические соединения

Рассмотрим два элемента — натрий и хлор. Натрий имеет один электрон поверх сферической заполненной оболочки типа благородного газа. Сферическая электронная оболочка типа благородного газа очень устойчива, и этот один лишний электрон не чувствует себя комфортно. Хлору не достает одного электрона для того, чтобы заполнить свою электронную оболочку, поэтому он всячески старается этот электрон откуда-то раздобыть. Когда натрий и хлор встречаются, самое естественное, если натрий отдаст свой электрон хлору. Натрий приобретет заряд +1, хлор приобретет заряд -1, и единственный способ, единственная пропорция, в которой эти два элемента могут сочетаться — это один к одному, иначе электрической нейтральности не будет.

Лекция №6. Материалы из мира низкой размерности

На поверхности твердого вещества у атомов разорвана примерно половина связей. Атомы чувствуют острую нужду восстановить эти потерянные связи. Они могут это делать различными способами: либо приближаясь к приповерхностным атомам, то есть, как бы вдавливаясь внутрь, укорачивая и усиливая еще имеющиеся, еще сохранившиеся связи, за счет этого восстанавливая баланс; либо перегруппировываясь на поверхности и образуя новые связи, которых раньше не было. И таким образом, структуры на поверхности могут совершенно кардинально отличаться от структур в объеме.

Лекция №7. Квазикристаллы

Квазикристаллы — что это? Это упорядоченные вещества, вещества, обладающие дальним порядком, но при этом не обладающие трансляционной симметрией. Что это значит? В кристаллах можно выделить маленький параллелепипед микроскопических размеров, нанометровых размеров, который бесконечно много, или очень много раз, фактически бесконечно много раз повторяется в трех измерениях, и этим повторением заполняет полностью пространство. Таким образом, структура кристалла может полностью быть описана структурой, положением атомов и размерами этого маленького «ящичка».

Лекция №8. Полимеры и биополимеры

Полимеры — это удивительный, уникальный класс химических веществ, которые можно с некоторой долей справедливости назвать венцом эволюции неживого мира, потому что это класс веществ, который породил жизнь. Это вещества, которые обладают поразительным разнообразием, изменчивостью физических свойств, структуры и химического состава. К полимерам принадлежат не только такие вещества как пластик, но и белки, из которых мы состоим, полисахариды типа целлюлозы, ДНК и РНК, которые программируют наследственность в живом мире. Это неживая материя, которая получила способность самовоспроизводиться, размножаться, передавать информацию и реплицировать себя именно благодаря способности полимеров быть изменчивыми.

Лекция №9. Дизайн сверхпроводников, магнитов и взрывчатых веществ

Давайте рассмотрим взрывчатки. Большинство известных взрывчаток, по сути — все хорошие взрывчатки, содержат азот. Принцип работы взрывчатки можно свести к тому, что наиболее устойчивым состоянием атомов азота является молекула N2 с очень прочной тройной связью. Эта тройная связь гораздо прочнее, чем три одинарные связи, образованные атомами азота. Поэтому если в двух соседних молекулах атомы азота «видят» друг друга, и вы их сталкиваете лбами, давая возможность создать молекулу N2, то мгновенно будет образована эта молекула с огромным выделением энергии. Это выделение энергии как раз и будет производить взрыв.

Лекция №10. Изучение вещества планетных недр

Такие явления, как землетрясения, вулканизм, континентальный дрейф, то, что мы называем «тектоника плит» — корни всех этих явлений находятся в недрах нашей планеты. Без понимания того, из чего состоит наша планета, мы никогда не поймем эти явления. К списку этих явлений также можно отнести существование земного магнитного поля. Вспомните компас, навигацию, а самое главное — без магнитного поля на Земле невозможна жизнь. Магнитное поле производится земным ядром — наиболее удаленной от нас оболочкой Земли. Не поймем ядро Земли — никогда не поймем магнитное поле.

 (Источник информации — здесь.)