XX ВЕК ГЛАЗАМИ ХИМИКА

Академик В.Пармон,
председатель Объединенного ученого совета
по химическим наукам СО РАН

Химия -- наука о превращениях вещества и способах управления этими превращениями.

Химиков никогда не считали фаворитами прогресса. Единственный известный мне случай такого рода заключался в попытке официально провозгласить в 1990 году нашу последнюю (13-ю) пятилетку пятилеткой химии. Чем она закончилась -- известно каждому. Трансформации, инициированные в ходе этой пятилетки, продолжаются до сих пор.

Химики не претендуют и на то, чтобы химию относили к числу первых "протонаук", обеспечивших человечеству новые способы времяпрепровождения, -- наверняка химия не является первой наукой, которую создал человек. Тем не менее исходные познания в области химии появились еще в ранние доисторические времена, когда человек овладевал своей первой химической реакцией -- огнем, научился варить пищу и делать керамическую посуду. После этого возникла металлургия, которую обычно относят к особому разделу химии.

Многие исходно химические разделы науки бесповоротно ушли от химии и стали неотъемлемой частью таких наук, как энергетика (огонь с организацией горения в тепловых машинах и т. п.), механика (в части создания конструкционных материалов, а также идейной основы тепловых двигателей и топлив к ним), ядерная энергетика (ядерные реакции и расщепляющиеся химические элементы). Геологии полностью отдали геохимию. Наконец, по-видимому, самый ценный подарок, преподнесенный химией человечеству, и в то же время самая болезненная потеря для самой химии -- это биохимия.

Тем не менее свой постоянно растущий капитал знаний химия не только раздает другим наукам, но и сама с удовольствием поглощает все полезное. Так были созданы огромные разделы современной химии -- физическая химия и физические методы исследований, появились квантовая и математическая химии и многое другое.

Химия как точная наука стала развиваться в основном с XVIII века, а ее расцвет начался в XIX столетии. В XVIII веке возникла неорганическая химия, а в XIX были созданы и расцвели органическая химия и самый первый раздел физической химии -- классическая термодинамика.

ХХ век стал веком ускоренного развития и господства, прежде всего, физической химии, химии технической (эту науку называют также химической технологией или, что более справедливо, chemical engineering science) и, наконец, биохимии, полностью перешедшей затем из химии в биологию в качестве ее отдельного направления.

Теоретическая и фундаментальная
химия ХХ столетия

К эпохальным для всего человечества достижениям фундаментальной химии начала ХХ столетия относится, прежде всего, раскрытие природы явления радиоактивности, связанной с мечтой алхимиков -- "трансмутацией" химических элементов. Конечный результат этих исследований хорошо известен -- он принес нам ядерную бомбу и ядерную энергетику.

В 30-х годах ХХ века мы научились понимать, почему вещество состоит из отдельных химических соединений, что такое молекула и химическая связь в ней. Теория химической связи, основанная на новом разделе физики -- квантовой механике, -- это полностью заслуга ХХ века. Результатом развития науки о природе молекул стало появление квантовой химии -- физической науки, ставшей неотъемлемой частью химии ХХ столетия.

В середине ХХ века колоссальные для всего человечества результаты принесла химическая кинетика, зародившаяся в конце XIX века наука о скорости химических реакций. Наиболее значимым с точки зрения глобальных последствий результатом развития химической кинетики середины ХХ века оказалась теория разветвленных цепных процессов, которые были открыты Н.Семеновым в начале 30-х годов. В 1956 году ему (вместе с англичанином С. Хиншельвудом) присудили Нобелевскую премию за выяснение природы этого явления.

Но за два десятилетия, уместившиеся между этими датами, произошли два принципиальнейших для всего человечества события, к которым разветвленные цепные процессы имели самое непосредственное отношение. Это создание ядерной бомбы и овладение искусством управлять ядерным, а потом термоядерным взрывом.

Другое важнейшее для человечества событие -- появление ЭВМ. Первая серьезная ЭВМ, родоначальница вездесущих теперь компьютеров, была создана в США для численного решения очень непростой физико-химической задачи, связанной с расчетом конструкции атомной бомбы.

Для самой химии более значительный результат развития химической кинетики ХХ века -- появление теории активированного комплекса, достаточно аргументированной и наглядной теории, позволяющей предсказывать реакционную способность вещества.

Физическая химия ХХ века может гордиться и тем, что оказала существенное влияние на создание новой науки -- термодинамики неравновесных процессов. Существенную роль в ее становлении сыграли и советские химики. Так, в начале 50-х годов советский военный химик Б.Белоусов открыл первые осциллирующие во времени химические реакции, которые ранее считались принципиально невозможными.

Из существенных достижений химии ХХ века в области эксперимента следует особо отметить обнаружение в 50-х годах двойной спиральной структуры у ДНК.

Для ХХ века характерен мощнейший прогресс и в аналитической химии. Именно в ХХ веке разработаны основные типы наиболее массовых современных устройств для определения состава сложных химических смесей -- так называемые хроматографы. Существенно, что в основе метода хроматографии лежат идеи и работы российского химика М.Цвета. Было разработано и множество иных методов химического анализа, чувствительность которых приблизилась, по-видимому, к пределам, достойным занесения в Книгу рекордов Гиннеса. Действительно, многие хроматографы имеют чувствительность к запахам более высокую, чем нос собаки. А современные методы химического анализа типа лазерной и излучательной, а также некоторых модификаций магнитно-резонансной спектроскопии позволяют детектировать наличие вещества и его химический состав в количестве порядка одной молекулы в кубическом сантиметре, что практически соответствует плотности межзвездного газа.

В последнее десятилетие появились и другие рекорды, достойные отражения в Книге рекордов Гиннеса. Потрясающие результаты дала, например, сканирующая туннельная микроскопия, ныне прочно вошедшая в арсенал инструментария химиков, изучающих поверхность.

Другой раздел физической химии -- фемтосекундная спектроскопия, позволила достичь временных разрешений порядка 10-15 секунды. За это время свет успевает пройти лишь доли микрона! С помощью такого метода сейчас удается исследовать даже движение отдельных атомов внутри реагирующих молекул. Создание фемтосекундной спектроскопии отмечено Нобелевской премией по химии 1999 года.

Фундаментальная химия ХХ века отмечена и многочисленными успехами в области направленного тонкого органического синтеза. Химики-синтетики в ХХ веке стали истинными виртуозами: благодаря им сейчас абсолютно осознанно можно синтезировать очень сложные и практически любые вещества, в том числе и биологически активные. Окончательно оформилась и химическая теория катализа.

Я уже отмечал, что поворотным моментом для химии ХХ века стало рождение биохимии как отдельной науки. Для нас, химиков, самой важной в этой области знания представляется теория наследственности, которая стала трамплином для биологии генов и даже -- генной инженерии. В качестве другого существенного результата биохимии ХХ века можно рассматривать успешное решение еще одной проблемы -- выявление природы и деталей функционирования аппарата природного фотосинтеза, то есть процесса, который обеспечил и обеспечивает существование всей жизни на планете Земля.

Из серьезных работ последних десятилетий следует отметить открытие в середине 80-х годов явления высокотемпературной сверхпроводимости.

Прикладная химия ХХ столетия

Прикладная химия ХХ столетия также богата поворотными для человечества моментами. Химики научились глубоко перерабатывать нефть, обеспечив тем самым энергетическое благосостояние человечества. Важнейшая роль в разработке методов глубокой переработки нефти принадлежит российскому химику В.Ипатьеву. Он первый создал промышленные процессы с большой глубиной химической переработки нефти, применив для этого каталитические технологии.

В ХХ веке стала понятной природа изотопов, и освоены технологии разделения изотопов самых разнообразных химических элементов. Создание таких технологий -- заслуга и физиков, и химиков. Одновременно возникли и развивались новые направления химии -- химия трансурановых элементов, а также радиохимия и радиационная химия. Умение получать плутоний и разделять изотопы урана, выделяя уран-235, привело к созданию устойчивой сырьевой основы для управляемых ядерных реакций, открывших эпоху атомной энергетики.

В ХХ веке появились полимерные конструкционные материалы. Практически все широко распространенные сегодня пластмассы -- полиэтилен, полипропилен, полиуретан, нейлон, полиэфиры и так далее - это открытия и технологическая проработка ХХ века.

Создание эффективных лекарств и освоение технологий их массового производства -- также неоспоримая заслуга прикладной химии ХХ века.

Среди абсолютно новых задач, которые ХХ век поставил перед человечеством, -- необходимость разработки эффективных средств защиты окружающей среды от неимоверно возросших техногенных воздействий. Большинство таких средств основано на использовании химических технологий.

Современные технологии получения сверхчистых веществ -- тоже результат развития прикладной химии ХХ века. Физики не смогли бы создать полупроводниковую электронику и затем микроэлектронику, не окажись в их распоряжении сверхчистых веществ типа германия и кремния, ставших основой всех полупроводниковых приборов.

Теоретическая и фундаментальная
химия XXI столетия

Попытаемся отметить некоторые направления химии, по которым можно ожидать сильных продвижений уже в начале XXI столетия.

На мой взгляд, самая большая проблема современной химии -- невероятно выросший объем конкретных химических знаний. Химия накапливает конкретную информацию быстрее других наук, намного опережая возможности ее усвоения научным сообществом. Поэтому хотелось бы, чтобы в XXI веке была предпринята попытка систематизации самих основ знаний по химии.

Но кроме "механического" накопления и систематизации конкретной информации в химии будущего столетия должны и могут появиться некоторые новые обобщения, наиболее вероятно -- в описании реакционной способности вещества.

Безусловно, в грядущем веке огромная роль будет принадлежать компьютерной химии. Уже сейчас мы знаем достаточно много для того, чтобы вместо проведения массы предварительных опытов в пробирках сначала "осуществить" синтез или другой химический процесс на компьютере и лишь затем решать, нужен ли дорогостоящий реальный эксперимент.

Мощное развитие в следующем веке получит химия наноматериалов, то есть материалов, частицы которых имеют размеры всего в несколько десятков ангстрем. Химия функциональных наноматериалов, к которым относится большинство гетерогенных катализаторов, имеет большой прикладной потенциал для управления химическими реакциями. Кроме того, химия наноматериалов -- это химия для микроэлектроники.

К химии наноматериалов примыкает супрамолекулярная (надмолекулярная) химия, которая рассматривает организацию крупных молекулярных структур (нередко полимерных) в упорядоченные "третичные" структуры. Биология и биохимия имеют дело именно с супрамолекулярными системами. Химикам предстоит научиться создавать такие системы искусственно. В частности, сверхзадача ближайшего десятилетия -- становление молекулярной электроники, которая может развиваться только на базе химии наноматериалов и супрамолекулярной химии.

Проблема, близкая к биологии и далекая пока от разрешения -- теория зарождения жизни. Как и в начале ХХ столетия продолжаются многочисленные споры о возможных путях зарождения жизни из неживой материи, но до сих пор нет даже четкой физико-химической формулировки самого явления жизни. Пока мы не дадим четкого научного физико-химического определения сути этого явления, бессмысленны и попытки разработать последовательную теорию зарождения жизни. Думаю, что в будущей формулировке обязательно появится словосочетание "жизнь -- это форма существования катализатора, который...". Почему так -- это отдельный вопрос. Но суть заключается в том, что земная жизнь -- это действительно функционирование особого типа биокатализаторов.

Для фундаментальной химии принципиальная задача XXI века -- создание искусственных систем, воспроизводящих функции природного фотосинтеза.

Прикладная химия ХХI столетия

У прикладной химии много задач, которые предстоит решить уже в начале XXI века.

Прежде всего, это освоение хорошо управляемых методов синтеза биологически и физиологически активных веществ. Специалистам в области химии и биологии хорошо известно, что так называемые оптические изомеры (вещества, абсолютно идентичные по составу и даже первичной структуре) могут оказывать различные биологические воздействия. Пока чистые оптические изомеры синтезировать очень трудно.

Основная сырьевая база современной энергетики -- нефть. Однако уже в первые десятилетия XXI века неизбежна смена этой сырьевой базы. Одновременно произойдет и смена сырьевой базы химической промышленности. Можно ожидать, что уже в начале XXI века нефтепереработку и нефтехимию будут постепенно замещать переработка природного газа и химия метана. К сожалению, эти области прикладной химии до сих пор развиты явно недостаточно. Химия глубокой переработки угля тоже находится до сих пор в зачаточном состоянии. Резкого развития требует и крупномасштабная химия возобновляемого сырья, прежде всего сырья биологического, так называемой биомассы (древесины, отходов сельского хозяйства и т. п.).

В XXI столетии произойдет революционное для земной цивилизации событие: в значительной мере осуществится переход на нетрадиционные для ХХ века виды энергетики и энергоносителей. В качестве массовых топлив потребуются не только продукты нефтепереработки, но и синтетические моторные топлива. При этом ожидают, что XXI столетие, а уж XXII столетие наверняка, станут временем водорода как универсального и экологически чистого энергоносителя. Водород повсеместно станут использовать для получения электричества в высокоэффективных топливных элементах и других, пока нетрадиционных системах преобразования энергии.

Безусловно, еще больших, чем в ХХ веке, работ потребует XXI столетие в области глобальной химии окружающей среды.

В наступающем столетии предстоит решить и более узкие задачи прикладной химии. Так, в химических технологиях до сих пор не нашло широкого применения когерентное лазерное излучение. Неизбежны серьезные прорывы в создании новых конструкционных материалов, особенно новых видов полимеров и керамик. Большие прорывы ожидаются в химии кремния и иных полупроводниковых материалов.

Сибирское отделение РАН
и химия ХХ столетия

Химики Сибирского отделения работали по многим приоритетным направлениям уходящего века.

Конкретными исторически фиксируемыми событиями для химиков Сибирского отделения были Ленинские и Государственные премии СССР, а также премии Российской Федерации, которыми отмечают очень серьезные успехи в теоретических и фундаментальных областях знания, а также в стратегически важных для страны областях его использования.

Хотелось бы обратить внимание на тот факт, что академик Г.Сакович трижды получал самые престижные премии страны -- последовательно Ленинскую и Государственную премии СССР, а затем Государственную премию Российской Федерации.

Плотность присуждения премий идет по нарастающей и резко повышается к концу 80-х годов. Это говорит о большой творческой активности сибирских химиков и о том, что они все время работали в нужных и для науки, и для страны направлениях.

Сибирское отделение РАН
и химия начала XXI столетия

Существуют принципиально важные направления, по которым химики Сибирского отделения обязательно должны входить в число лидеров. Несомненно, что в начале XXI столетия важнейшими направлениями развития научного потенциала СО РАН в области химии, в дополнение к уже "оседланным" направлениям, должны стать: переработка природного газа; переработка угля и торфа; переработка возобновляемого растительного сырья; переработка горнорудного сырья; тонкий органический синтез; химия полимеров и полимерные материалы; химия для микроэлектроники и молекулярная электроника; химия источников тока и, прежде всего, топливных элементов; высокочувствительный химический анализ.

Особенно важны для региона направления, связанные с переработкой богатейших природных ресурсов Сибири: природного газа, угля, торфа, возобновляемого растительного, а также горнорудного сырья. Потенциал химической промышленности Сибирского региона обязан в ближайшее десятилетие прирасти ускоренным развитием производств, основанных на тонком органическом синтезе и химии полимеров и полимерных материалов. Если Сибирь хочет остаться зоной высоких технологий, мы должны ускоренно развивать химию для микроэлектроники, в том числе молекулярную микроэлектронику и химию химических источников тока, методы высокочувствительного химического анализа.

Все это -- в дополнение к тому, чем химики СО РАН уже занимаются и что умеют делать.

(Из доклада,
сделанного на предновогодней
научной сессии Президиума СО РАН
"Основные итоги науки XX столетия
и перспективы XXI века".)