ШАГ К СБЛИЖЕНИЮ
ТЕОРИИ И ЭКСПЕРИМЕНТА
В Международном томографическом центре прошла V Международная конференция по диффузионно-контролируемым реакциям.
Первая конференция на эту тему состоялась в 1999 году в Израиле, потом последовали две в Южной Корее и в Австрии. Россия избрана местом для ее очередного проведения уже во второй раз, и это не случайно, так как российские ученые вносят существенный вклад в развитие этой отрасли науки.
Нам удалось побеседовать с нынешним организатором конференции, ведущим научным сотрудником МТЦ СО РАН доктором физико-математических наук Никитой Лукзеном.
— Никита Николаевич, какова была первоначальная цель этих конференций, и изменилась ли она со временем?
— Эта конференция проходит раз в два года. Первая была задумана и организована для того, чтобы собрать вместе теоретиков и разобраться при наличии множества разных подходов и кинетических уравнений, сводится ли все это к одному общему знаменателю. Эта задача была решена, и сейчас решается другая задача — собрать вместе экспериментаторов и теоретиков для выработки общего языка и применения высокой теории. Надо привлекать больше экспериментаторов, так как процессы, контролируемые стохастическим движение реагентов, — они повсюду, все биологические процессы, по существу, такого рода.
— Судя по всему, состав участников должен был быть интернациональным…
— Да, на нашей конференции были участники из Англии (Оксфорд), Испании (Толедо), Бельгии, Германии, Израиля, Южной Кореи, Швейцарии, Дании, США (Калифорнийский технологический институт и Национальный институт здоровья). Делегацию из Кореи возглавлял профессор Кук Джой Шин, который только в декабре сложил полномочия президента Корейского химического общества, а в июле он был избран иностранным членом Royal Society of Сhemistry, что очень почетно.
— А что является базисом теории диффузионно-контролируемых реакций?
— Молекулы в жидкости движутся хаотично из-за беспорядочных, частых столкновений друг с другом. В газе тоже происходят столкновения молекул, но их свободный пролет намного больше размера самих молекул. А в жидкости эти расстояния того же порядка, что и молекулы, и даже меньше. Поэтому происходит не прямолинейное, а стохастическое, или диффузионное движение. Далее, при встрече двух реагентов в растворе происходит реакция, состоящая из двух этапов: на первом этапе реагенты сближаются, на втором — происходит сама реакция, например, перенос электрона с одной возбужденной молекулы на другую. Существует два типа реакций — реакционно-контролируемые, когда доставка и встреча реагентов происходит довольно часто, они быстро сближаются, а сама реакция идет медленно по сравнению с доставкой. Лимитирующая стадия — не само движение молекул, а их реакция при встрече. Второй тип реакций — диффузионно-контролируемые. Как только молекулы встречаются, реакция происходит очень быстро. Лимитирующим фактором становится движение, диффузия. Сближение определяется скоростью диффузии. Чем быстрее диффузия, тем быстрее протекает реакция.
— Скажите, а как давно начала развиваться эта область науки?
— Это область науки возникла благодаря Мариану Смолуховскому, им первым была рассмотрена задача коагуляции коллоидов. Его классическая формула для константы скорости диффузионно-контролируемой реакции известна всем химикам. Три-четыре десятилетия назад начался новый этап развития теории таких реакций, он был инициирован быстрым развитием экспериментальной техники. Сначала появился флеш-фотолиз в миллисекундном диапазоне, т.е. отслеживалась кинетика реакций, которая происходит на тысячных долях секунды. За это изобретение лорд Портер получил Нобелевскую премию. Сейчас флеш-фотолиз развился до времен десять в минус пятнадцатой, подробно исследуется уже движение ядер в самой молекуле. В связи с этим стала подробнее исследоваться кинетика реакций, возросла точность определения того, как исчезают реагенты со временем. При этом назрела необходимость разработки теории, так как модель Смолуховского является очень упрощенной — он рассматривал только контактные реакции.
— А что будет, если реакция не контактная и происходит на какой-то дистанции?
— В обычной химии всегда пользовались законом действующих масс, который был выведен еще в XIX веке. Сейчас же теоретическая наука предпочитает описывать химические реакции с физической точки зрения. Главный вопрос теории — как по известной зависимости от расстояния между реагентами скорости элементарного химического акта найти константу скорости реакции. Ведь трудность в том, что в процессе диффузии расстояние между реагентами меняется случайным образом.
— Кроме теории Мариана Смолуховского были еще какие-нибудь теории, существенно повлиявшие на изучаемую вами область?
— В шестидесятых годах в связи с развитием экспериментальных исследований начала активно разрабатываться теория диффузионно-контролируемых реакций переноса энергии, электрона и спина. Данная проблема состоит из двух частей. Первая — рассчитать вероятность элементарного химического акта при фиксированном расстоянии между парой реагентов. И вторая часть — используя эту вероятность, рассчитать константу скорости реакции. Примером решения первой части проблемы является теория переноса электрона Маркуса. Тем не менее, эта теория дает только выражение для элементарной скорости переноса электрона. Сегодняшняя задача теоретиков в области диффузионно-контролируемых реакций — имея зависимость вероятности элементарного акта от расстояния между частицами, рассчитать кинетику реакции при определенной концентрации одних и других реагентов. Это чрезвычайно сложная задача, аналогичные задачи решаются в физической кинетике. По сути, это описание химических реакций с точки зрения физики методами теории многих тел. Так, оказалось, что для реакций метастабильных реагентов закон действующих масс нарушается. Обратимые реакции диссоциации и ассоциации, как показано недавно, тоже нельзя описывать законом действующих масс. Задача теоретиков на данном этапе, в том числе это цель конференций по диффузионно-контролируемым реакциям — дать рекомендации экспериментаторам для нахождения реакций, где наиболее ярко бы нарушался закон действующих масс.
После работы Смолуховского следующий крупный шаг был сделан Штейнбергом и Качальским. К слову, Качальский — это псевдоним, настоящее имя ученого — Хаим Вайцман (Chaim Weizman), он бывший президент государства Израиль. В 1999 году Вайцман открывал первую конференцию по диффузионно-контролируемым реакциям в Израиле. Еще один политик, питающий интерес к этой сфере науки, бывший директор ЦРУ в 1995-1996 гг. Джон М. Дойч (John Deutch). Сейчас он профессор Массачусетского технологического института.
— Как вы оцениваете итоги прошедшей конференции?
— В целом конференция прошла весьма успешно, хотя хотелось бы достичь более плотного сотрудничества экспериментаторов и теоретиков. К сожалению, было немного работ, где бы сливались теория и эксперимент. Был отдельно эксперимент, отдельно очень высокая теория. И эта высокая теория как раз показала, что она описывает ситуации, к которым не подходит закон действующих масс. В финальной дискуссии участники конференции заострили эту проблему.
— Как известно, фундаментальная наука не ставит своей обязательной целью искать себе практическое применение. Однако, может быть, в каких-то областях науки ваша теория помогла разрешить какие-то проблемы?
— Вообще, и экспериментальные, и теоретические фундаментальные исследования считаются вещами, далекими от практического применения. И это действительно так. Да, задача фундаментальной науки — добыча знаний, и более ничего. Тем не менее, на нашей конференции была, по крайней мере, одна работа, которая уже нашла практическое применение. В ней рассматривалась фотосенсибилизированная депротекция олигонуклеотидов при синтезе ДНК-чипов, которая позволяет существенно ускорить их производство. Там был ряд непонятных моментов, которые удалось теоретически объяснить. А так, да, фундаментальная наука, и то не вся, дает
практический выход лишь через десятки лет.
Беседовала Ольга Боровская,
студентка НГУ
стр. 4
|
