ТЕРМОДИНАМИКА
И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Проблемы исследований в области термодинамики и неорганических материалов были в центре внимания семинара, проводившегося в Институте неорганической химии СО РАН с 22 по 25 октября под эгидой президиумов Сибирского и Уральского отделений РАН.

С.Габуда
доктор физико-математических наук

С.Габуда — д.ф.-м.н., лауреат Государственной премии.

Наблюдающаяся в современном мире тенденция непрерывного совершенствования существующих химических технологий и разработки принципиально новых, так называемых высоких технологий, — один из наиболее важных факторов, стимулирующих проведение фундаментальных физико-химических исследований, в частности, термодинамических. В результате предлагаются новые устойчивые композиции и пути их синтеза. Эти исследования необходимы для понимания перспектив создания новых материалов для электроники, информационных и нанотехнологий, при изучении процессов, происходящих в химических источниках тока, в высокотемпературных сверхпроводниках и др.

На семинаре обсуждали самые злободневные проблемы сотрудники более 20 организаций Сибирского и Уральского регионов — научно-исследовательских институтов и вузов. Следует отметить, что как в Сибирском, так и в Уральском отделениях сохранены уникальные методики измерения термодинамических свойств.

За три рабочих дня были заслушаны и рассмотрены более 160 научных сообщений по всем актуальным направлениям химической термодинамики неорганических материалов и смежным направлениям.

Гигабаксы за нанотехнологии

В 1973 г. в США была разработана технология получения "наночистого" кварцевого волокна, характеризуемого степенью очистки до 10^-8–10^-9, т.е. не более 10 атомов примеси на миллиард частиц основного вещества. Этот успех — результат кропотливого труда по выявлению и устранению всех факторов, обусловливающих оптические потери. Концентрации включений Cu, Fe, V, воды и гидроксила были снижены до нескольких долей на миллиард частиц SiO₂. В результате было достигнуто десятикратное снижение уровня потерь передаваемого по волокну сигнала по сравнению с традиционными (медными) кабелями. Уже в 1975 г. специальное судно проложило первый трансатлантический оптоволоконный кабель. С этого момента начался необратимый процесс по замене традиционных кабельных линий связи на оптоволоконные, что дало скачкообразный рост их емкости (объема передаваемой информации) и снижение расходов по содержанию линий связи. Спрос на подобную наукоемкую продукцию стабильно высокий, а чистый доход корпорации-разработчика (АТ&T, США) уже к 1980 г. составил около 10 млрд долларов (или 10 "гигабаксов").

Открытие семинара. Заместитель директора ИХТТ УрО РАН д.х.н. А.Ивановский и директор ИНХ СО РАН академик Ф.Кузнецов.

Отмечено, что технология очистки основывается на ранее разработанной методике получения полупроводниковых материалов на основе сверхчистого кремния (так называемая "хлорная технология"), детали которой остаются в числе жестко охраняемых "ноу-хау" фирм-разработчиков. В докладе В.Титова (ИНХ СО РАН) был предложен усовершенствованный вариант "хлорной технологии", использующий особенности протекания реакций при повышенных давлениях. В полном объеме оценить перспективы данного предложения пока не представляется возможным. Вместе с тем, далеко в стороне остались перспективные технологии, связанные с использованием других активных сред, в частности, халькогенидных стекол. Теоретические возможности подобных сред на порядок-полтора превосходят лучшие показатели кварцевого стекла, что позволило бы в перспективе передавать сигнал через трансатлантический кабель без дополнительной "подпитки". Кстати, для медных кабелей из-за снижения уровня сигнала подпитка требуется через каждые 6 км, а в кварцевых кабелях — через 60–80 км.

Наноразмерные устройства
и наноэлектроника

Обсуждение вопросов термодинамики. Зав.лабораторией ИВТЭ УрО РАН д.х.н. В.Обросов.

Семинар не оставил без внимания актуальнейшую проблему наночастиц. С ней связаны возможности нарастания производительности компьютера. И здесь труднейшая из проблем — создание простейших "периферийных" устройств ввода и вывода информации. За последние годы в данном направлении не удалось существенно продвинуться, если не считать сенсационных открытий нескольких "нанообъектов" — новых аллотропных форм углерода — фуллеренов (открытых в 1985 г., Нобелевская премия за 1996 г.) и нанотрубок (открытых в 1991 г.), а также так называемых "квантовых точек", размеры которых на порядок меньше размеров наименьших МОП-структур. В нескольких докладах Л.Мазалова и сотрудников его лаборатории (ИНХ СО РАН) были представлены результаты новых исследований квантовых точек, фуллеренов и нанотрубок, которые вносят существенный вклад в данное направление.

Гонка за уменьшением размеров логических элементов и увеличением скорости ЭВМ все более и более тормозится из-за существования физических ограничений на предельно малые размеры подобных элементов. Поэтому актуален поиск новых фундаментальных решений, подстегиваемый фактом объективного существования биологического микромира с его явно "одноэлектронными" устройствами рецепции и химического узнавания. Определенный вклад в решение данной проблемы внесен в рамках исследований корреляционных взаимодействий и их влияния на термодинамические свойства октаэдрических молекул и комплексов (доклад С.Козловой, ИНХ СО РАН). Представляется вероятным, что в существующих подходах, действительно, недооценивается роль эффектов корреляции мгновенных электронных распределений, что соответствует более явному учету корпускулярной природы электрона в атомах и молекулах, которая должна быть максимально выражена именно в гипотетических одноэлектронных триггерных устройствах.

Высокотемпературная сверхпроводимость

На стендовой сессии.

Прошлый, ХХ век знаменит величайшими открытиями, среди них наиболее неожиданное — обнаружение "идеальных проводников", или сверхпроводников, открывающих возможность передачи энергии без потерь. Поиски "высокотемпературных" сверхпроводящих материалов и композиций продолжают оставаться областью исследований, в которой наблюдается наивысший накал страстей теоретических и экспериментальных работ в химии и термодинамике неорганических материалов. Новый всплеск в данной области связан с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в MgB₂ (11.01.2001 г.) и в фуллеритах (лето–осень 2001 г.). За короткий промежуток времени проведен огромный объем исследований, позволивших проф. А.Ивановскому (ИХХТ УрО РАН) не только опубликовать обзор сверхпроводящих свойств MgB₂ в сентябрьском (2001 г.) выпуске журнала "Успехи химии", но и представить фундаментальный доклад по их теоретической химии и зонным расчетам. Главный его вывод состоит в том, что вопреки мнению скептиков, остаются надежды на практическую реализацию сверхпроводимости при комнатной температуре.

Не угасает интерес и к изучению сверхпроводящих купратов, открытых в 1987 г. и ставших уже классическими объектами исследований. Данные термодинамики позволили впервые прояснить проблему природы изменений сверхпроводящих свойств купратов, их неустойчивости, возможностей термохимии. В этом плане интерес представляли совместные работы ИНХ СО РАН (Н.Мацкевич, Ю.Стенин, Ф.Кузнецов) с МГУ (акад. Ю.Третьяков с соавторами). Отмечалось, что в области термохимии российские ученые удерживают основные приоритеты буквально с самого начала открытия ВТСП.

Литиевые источники тока

Практически важная сфера применения новейших химических технологий связана с массовым внедрением мобильных и сотовых телефонов, в которых используются перезаряжаемые источники тока (аккумуляторы). Подобные химические источники тока — традиционная область электрохимии, насчитывающая почти 2 века истории, и включающая классические имена Гальвани, Вольта и Ле-Кланше. В докладе профессора А.Кедринского из Красноярского ГТУ были рассмотрены наиболее важные аспекты химии и технологии новых, так называемых литиевых источников тока, на базе композиции литий-кобальтовой или литий-марганцевой шпинели и графита. Литиевые источники тока появились совсем недавно — в 1993 г. Благодаря ряду важных преимуществ, их производство развивалось экспоненциально, и за последние 5–7 лет годовой оборот производства вырос до 5 млрд долл. Интересные результаты по литий-алюминиевым, лантан-магний-галиевым электролитам и литий-кобальтовым оксидам представлены в работах ИВТЭ УрО РАН (В.Обросов, С.Шкерин) и ИХТТ УрО РАН (В.Волков, А.Гусев). Авторы анализируют перспективы улучшения характеристик изготовляемых на основе представленных материалов источников и демонстрируют преимущества комплексного подхода для выявления причин изменения электрических свойств электролитов. Российские исследователи имеют серьезные результаты в области химической термодинамики и технологии всех типов химических источников тока, но возможности практической реализации предлагаемых разработок неизменно связывались с проблемой получения Госзаказа, или Оборонного заказа, или того и другого.

* * *

По завершении семинара высказано предложение о необходимости создания совместного СО РАН–УрО РАН Центра термодинамики и неорганических материалов с привлечением в дальнейшем Европейского сообщества. Кроме того, решено создать рабочую группу для подготовки совместных проектов СО РАН-УрО РАН по термодинамике и неорганическим материалам и изыскания путей их финансирования в рамках существующих возможностей Сибирского и Уральского отделений РАН, Миннауки и промышленности РФ, РФФИ и др. Следующий семинар по химической термодинамике и неорганическим материалам решено провести в Екатеринбурге в 2002 году.