ХИМИЯ В XXI ВЕКЕ. ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
ДОКЛАД АКАДЕМИКОВ В.А. ТАРТАКОВСКОГО И С.М. АЛДОШИНА
В основу нашего доклада положен прогнозный анализ развития химии в XXI в., который подготовлен нами совместно с академиками А.Л. Бучаченко, В.И. Минкиным, А.И. Коноваловым, И.И. Моисеевым, Ю.Д. Третьяковым при участии академиков А.Р. Хохлова, А.Г. Мержанова, Р.З. Сагдеева, Г.А. Абакумова, членов-корреспондентов РАН Г.Б. Манелиса, С.Д. Варфоло-меева и В.И. Овчаренко. По существу, наш доклад - коллективный труд Отделения химии и наук о материалах РАН. Речь пойдёт в основном о перспективах развития химии в новом столетии.
Все вещества, которые получают химики, -это результат неорганизованных химических реакций, в которых атомы и молекулы встречаются случайным образом во времени и в пространстве. В то же время химия в природе строит все свои объекты, опираясь на высокую организацию молекулярной и надмолекулярной структуры. Осознание этого обстоятельства и поворот химии как науки в сторону молекулярной и надмолекулярной организации - одно из главных стратегических направлений развития химии XXI в. Поэтому хотелось начать с супрамолекулярной химии.
Эта наука появилась в России примерно 30 лет тому назад и начала развиваться в Москве, Новосибирске, Казани и других городах. К настоящему времени она достигла блестящих успехов, в основном, благодаря тем результатам, которые получены в научных школах академиков А.И. Коновалова, М.В. Алфимова, А.Ю. Цивадзе и в ряде других центров.
Сегодня совершенно очевидно, что супрамоле-кулярные системы имеют особую нишу, свой уровень в иерархии материи. Вслед за атомным следует молекулярный уровень с ковалентными связями между атомами. Далее - уровень супрамолекуляр-ный с нековалентным (межмолекулярным) связыванием молекул. В супрамолекулярных системах реализуются такие принципы организации и функционирования материи, как молекулярное распознавание, селективное связывание, взаимодействие рецептор-субстрат, трансмембранный перенос, супрамолекулярный катализ. На основе молекулярного распознавания (а это химическая информатика) осуществляется самоорганизация, программируемая самосборка супрамолекулярных систем, которые максимально использова-
Устройства для Нано- и микро-
Рис. 1. Ожидаемые практические результаты супрамолекулярной химии
лись в ходе становления биологических объектов. Ключевые структуры биологических систем, к примеру, двойные спирали нуклеиновых кислот, мембраны клеток, ферменты, являются су-прамолекулярными системами.
Исходя из упомянутых выше принципов организации и функционирования супрамолекуляр-ных систем, их теснейшей структурно-функциональной связи с биологическими объектами, мы прогнозируем два важнейших фундаментальных пути развития супрамолекулярной химии в XXI в. Во-первых, это разработка методов супрамолекулярной химии как инструмента конструирования наночастиц и наноматериалов с заданными свойствами, с использованием программируемой самосборки супрамолекулярных систем. Во-вторых, создание искусственных систем (включая природные аналоги), способных к взаимодействию с биологическими объектами на супрамо-лекулярном уровне (рис. 1).
Химия достигла верхнего, предельного горизонта - способности детектировать, пространственно фиксировать, перемещать и распознавать одиночную молекулу, измерять почти все её существенные свойства. На этом верхнем горизонте создаётся элементная база и разрабатываются технологии манипулирования одиночными молекулами для нанооптики, наномеханики и на-ноэлектроники. Это пролог к новой технологической цивилизации - к молекулярной электронике, которая работает с электрическими напряжениями порядка милливольт и электрическими токами порядка наноампер.
В развитых странах уже работают десятки оснащенных лабораторий, на их финансирование выделяются миллиарды долларов. Научный мир находится в состоянии гонки, ясно осознавая, что положение любой страны в иерархии развитых стран определяется прорывами в этой области.
Молекулярная электроника и спинтроника -наиболее быстро развивающиеся области нано-технологии, возникновение и развитие которой социологи рассматривают как пятую промышленную революцию. В начале дадим общее представление о развитии этой области химии. Предположения о том, что молекулы могут обладать способностью проводить электрический ток, были выдвинуты ещё на рубеже 50-х годов ХХ в. Малликеном и Сент-Дьерди, но обычно возникновение направления молекулярной электроники связывают с опубликованной в 1974 г. работой Арии Авирама и Марка Ратнера. Они выдвинули идею молекулярного выпрямителя (диода) - молекулы, содержащей мощные п-донорные и п-ак-цепторные группы, разделённые а-спейсером, и помещенной между электродами. Такие молекулы моделируют рп-переход в полупроводниках (рис. 2).
Следующий этап - синтез и исследование различных молекулярных переключателей, а также молекулярных проводов. Последние могут иметь самую необычную структуру. Пример - полиди-ацетилен, инкапсулированный в полисахарид ши-зофиллан с результирующей спиральной структурой.
1970
о-
1974 A.Aviram, M. Rather Molecular pn Junction Г=\
X
1980
D(n)
A(p)
1990
2000 #
2010
2020 -o
Молекулярные Молекулярные Создание
переключатели логические молекулярного
2D и 3D вентили компьютера молекулярная память
вкл. нанопровода
нанопровода
О^гаКЭ
ю
молекуляр соединен:
ч fc fc
Полиацетилен в оболочке полисахарида шизофиллана
Рис. 2. Основные этапы развития молекулярной электроники
о
Создание разнообразного спектра переключателей и нанопроводов обеспечило возможность формирования на их основе логических устройств. Предполагается, что к 2020-2025 гг. возникнет новая молекулярная технология. А ещё через 1020 лет появятся квантовые компьютеры. Предполагается, что компоновка такого молекулярного компьютера будет аналогична кремниевому компьютеру. Но логические связи между отдельными элементами этого компьютера будут осуществлять логические вентили и умные молекулы.
Элементная база молекулярных компьютеров -бистабилъные молекулярные и супрамолекуляр-ные структуры (умные - intelligent, smart). Это структуры, существующие в двух (или нескольких) термодинамически устойчивых состояниях, которым отвечают локальные минимумы на ППЭ. Переключение между этими состояниями осуществляется при помощи различных внешних воздействий. В терминах информатики такие структуры можно ассоциировать с понятиями логического нуля (0) и единицы (1), а их перегруппировки - с информационными переходами.
Молекулярные рамолекулярные образования, способные к обратимым перегруппировкам при действии света, квалифицируются как фотохром-ные системы. Пример - изученные в нашей стране академиками В.И. Минкиным, С.М. Алдоши-ным и М.В. Алфимовым, доктором химических наук М.М. Краюшкиным и другими химиками хроменовые, фульгидные, спиропирановые и спирооксазиновые системы. Они работают при комнатной температуре и имеют времена отклика на внешнее воздействие, то есть реакции порядка фемтосекунд, а времена установления рав-
новесия - порядка пикосекунд. Устройства трёхмерной оптической памяти на их основе могут обеспечить колоссальную плотность записи информации. Даже при использовании лазера с излучением 532 нм плотность записанной информации составляет около 1013 бит/см3, а при использовании УФ-лазеров эта величина может быть повышена ещё на порядок.
Первые выпущенные в производство устройства трёхмерной оптической памяти - многослойные флуоресцентные диски - были созданы на базе индолилфульгидов - фотохромных соединений, полученных впервые в НИИФОХ при Ростовском университете и в Менделеевском технологическом университете и изученных в Центре фотохимии и ИПХФ РАН. Соединения, особенно 2-индолилфульгиды, отличаются исключительно высокой термической устойчивостью. Циклическая форма обладает флуоресценцией, по которой производится считывание информации. На этих дисках площадь бита - порядка сотых квадратного микрона, то есть 10000 нм2. Это площадь нескольких тысяч молекул. При использовании аналогичной системы профессор Ирие из Японии показал, что в принципе площадь бита может быть доведена до размеров одной молекулы.
Особенно перспективное направление создания материалов со сверхвысокоемкой магнитной памятью (одна молекула - один бит) связано с разработкой мономолекулярных магнитов. Хотя магнетизм - это коллективное свойство, но ме-таллорганические кластеры, характеризующиеся (1) высокоспиновым основным состоянием, (И) большой магнитной анизотропией относительно энергетически наиболее благоприятного направления
Катализаторы на углеродных нанотрубках и нановолокнах
Рис. 3. Наноиндустрия и химическая промышленность
спонтанной намагниченности, (ш) отсутствием или слабыми магнитными взаимодействиями между молекулами, проявляют свойства постоянного магнита.
Важный показатель - температура блокирования (температура, ниже которой релаксация становится очень медленной). При 1.5 К кластер Мп12 сохраняет намагниченность 40 лет, а при 2 К -в течение 2 месяцев, причем только 40% намагниченности.
Самый маленький полученный к настоящему времени мономолекулярный магнит содержит всего 5 металлических центров. Самый большой -наночастица диаметром 42 нм.
Для всех известных в настоящее время молекулярных магнитов температуры блокирования не превышают 3 К, что обусловлено весьма малыми величинами энергетических барьеров.
Проблема получения кластеров с высокими значениями спина решается достаточно успешно. Так, уже получен кластер, который имеет в основном электронном состоянии 83 параллельных электронных спина. Однако главной проблемой и главным направлением поиска остаются соединения с высокой анизотропией относительно "лёгкой оси".
Рассмотренные данные свидетельствуют о значительном прогрессе в области быстродействующих оптических молекулярных переключателей и высокоёмких устройств памяти. Фактически достигнуты предельно возможные на молеку-
лярном уровне показатели - быстродействие порядка скорости элементарного акта реакции и плотность записи "один бит - одна молекула".
Способом управления такими молекулярн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.