Архив   Авторы  

Холодный расчет
Наука

Экзотические вещества клатраты, созданные отечественными учеными, положат начало новой области техники - супрамолекулярной электронике

Ирония судьбы: удивительные открытия порой совершаются там, где все, казалось бы, уже давно известно. Например, о существовании сверхпроводников - материалов, у которых при определенных условиях электрическое сопротивление падает до нуля, - было известно еще в начале прошлого века. Материалам этим предрекали блестящее будущее, однако на практике научно-технической революции не произошло: сопротивление у сверхпроводников приближается к нулю лишь при аномально низких температурах, достигнуть которых можно разве что в лабораторных условиях. А значит, наладить их работу в реальной жизни фактически не представляется возможным. Так что физикам и химикам приходится работать в двух направлениях: создавать сверхпроводники, которые заработают при температуре примерно минус 80-100 градусов по Цельсию, или же искать альтернативные способы "заморозки". По второму пути пошли специалисты химического факультета МГУ, сумевшие синтезировать супрамолекулярные клатраты, которые могут стать основой для материалов нового поколения.

Хозяин - барин

Над материалами, которые могли бы максимально охлаждать активный элемент, ученые работают столько же, сколько существует полупроводниковая электроника - основа всех умных приборов. При этом предпринимаются попытки решить две противоречащие друг другу задачи - добиться хорошей электропроводности и аномально низкой теплопроводности, чтобы тепло, взятое у активного элемента электрическим током, не возвращалось обратно. О появлении по-настоящему мощных охлаждающих термоэлектрических материалов в науке заговорили в 90-х годах прошлого века. Тогда американский ученый Слэк выдвинул интересную гипотезу. Он заявил о возможности создания веществ с парадоксальными свойствами и даже описал механизм, по которому они могли бы работать. Основой термоэлектриков такого уровня, по его мнению, могли бы стать сложные химические соединения - супрамолекулярные ансамбли из атомов двух типов - "хозяев" и "гостей". Атомы-"хозяева" представляют собой решетку, построенную из прочных ковалентных связей. В ее пустотах располагаются подвижные атомы или молекулы-"гости", способные колебаться внутри предназначенного для них объема. Их быстрое движение рассеивают фононы - квазичастицы, представляющие собой квант упругих колебаний среды и служащие проводниками тепла. При этом поведение "гостей" никак не сказывается на электропроводности "хозяев" - ее обеспечивают электроны, перемещающиеся по ковалентным связям каркаса. Благодаря тому, что объединенные в один молекулярный ансамбль элементы действуют обособленно, появляется возможность оптимизировать свойства каждого из них. Тип таких веществ Слэк окрестил "фононным стеклом" - электрическим кристаллом. Однако, закинув удочку, он не дал ответа на главный вопрос: какие вещества могли бы отвечать таким требованиям? И предоставил химикам ломать голову над доказательством этой замысловатой гипотезы.

За решеткой

Как ни странно, ответ на загадку, предложенную американским физиком, не заставил себя долго ждать, поскольку был практически готов. Свойствами "фононного стекла" обладали так называемые клатраты - соединения, существующие в природе, на изучение которых химики потратили не один десяток лет. Правда, занимались они ими, скорее, из любопытства. Пытались понять, можно ли искусственно повторить их структуру, совмещая различные элементы. Самая первая попытка показала, что такие вещества получить вполне реально: первым подопытным стал щелочной металл натрий, заключенный в решетку из атомов кремния, за ним последовал йод, помещенный в клетку, состоящую из олова и фосфора. Ученые задумались над тем, какую выгоду можно извлечь из соединений нового типа. "О существовании клатратов мы знали, по поводу их свойств написано немало книг, - рассказывает профессор МГУ, доктор химических наук Андрей Шевельков. - Они повторяют по своему строению некоторые формы существования воды или льда с примесями. Скажем, те соединения, которые мы изучаем, часто похожи на льды с содержанием метана в Мировом океане".

Если в гидратах основу трехмерной кристаллической решетки составляют молекулы воды, то в полупроводниковых клатратах в ход идут атомы кремния, олова, германия, причем частично они могут быть заменены на непереходные элементы, например алюминий или теллур. "На самом деле перспективными термоэлектриками являются полупроводниковые клатраты, а вовсе не привычные газовые гидраты, - объясняет Андрей Шевельков. - Их особенностью является то, что каркас всегда несет на себе электрический заряд. В большинстве соединений этот заряд отрицателен, то есть каркас служит полимерным анионом".

Естественно, для компенсации заряда необходимо присутствие катионов. Поэтому в качестве атомов-"гостей" в кристаллическую решетку внедряются щелочные металлы за исключением лития, а также стронций, барий и европий. В том случае если каркас заряжен положительно, "гостями"-анионами служат галогены за исключением фтора или теллур.

В результате атомы-"гости" в клатратах размещены в пустотах "хозяйского" каркаса таким образом, что имеют много соседей. Эти атомы получают возможность двигаться внутри ограниченного объема. Колебательное движение происходит с определенной частотой, совпадающей с частотой распространения фононов - носителей тепла. При этом наблюдается резонансное рассеяние фононов, и тепло перестает распространяться по кристаллическому твердому телу, как если бы это было стекло.

Чтобы синтезировать столь сложное по структуре и свойствам вещество, одних химических реакций недостаточно - требуется учитывать много факторов, воспроизводить уникальную среду для взаимодействия элементов. Наши специалисты держат свои методы в секрете. "В мире насчитывается порядка семи научных групп, которые занимаются этим классом веществ, - объясняет Андрей Шевельков, - три из них работают в США. У каждой группы свои методы, каждая работает с определенными веществами. Однако нам есть чем гордиться - на сегодняшний день мы достигли лучших показателей по уменьшению теплопроводности полупроводников, а это важный шаг на пути к созданию эффективного материала". Ученые эффективность термоэлектрических материалов оценивают с помощью безразмерного показателя добротности, который зависит от соотношения электро- и теплопроводности. Из большого набора соединений, доступных на сегодняшний день отечественным специалистам, по крайней мере три имеют значения теплопроводности в три с половиной раза меньшие, нежели любой из коммерчески используемых материалов. Вещества, внешне представляющие собой обычный серый порошок, могут совершить революцию на рынке сначала полу-, а затем и сверхпроводников.

Эффектный выход

Сегодня полупроводники - товар востребованный. По данным Ассоциации полупроводниковой промышленности, мировые их продажи только за два первых месяца этого года превысили 40 миллиардов долларов. Что, впрочем, неудивительно. Термоэлектрические материалы применяют для охлаждения процессоров в современных ноутбуках и компьютерах, а потому даже небольшой прогресс в этой области сулит серьезную выгоду разработчикам. Что же тогда говорить о супрамолекулярных клатратах, которые при их превращении в полноценный материал произведут настоящую революцию в промышленности. Для начала может появиться новая область техники - супрамолекулярная электроника. То есть полупроводники нового поколения смогут охлаждать активный элемент настолько, чтобы в ход пошли сверхпроводники - а значит, скорости, с которыми работают современные машины, возрастут в разы. Правда, специалисты в области компьютерной начинки пока не спешат с хвалебными откликами. Как рассказали "Итогам" в крупной российской компьютерной компании, к полупроводникам в электронике предъявляются высокие требования. Например, под пристальным вниманием находятся не только электро- и теплопроводность, но и, к примеру, окисляемость веществ. Так что клатратам еще предстоит пройти серьезную проверку, прежде чем их внедрят в жизнь.

Супрамолекулярным клатратам может найтись применение и в быту, если в силу тех или иных обстоятельств компьютерщики их отвергнут. Например, термоэлектрические материалы активно применяются в портативных холодильниках. Однако они не способны охлаждать крупные камеры, поэтому по старинке в бытовых и промышленных агрегатах используют хладагенты. По мнению экологов, хладагенты наносят существенный вред окружающей среде, разрушая озоновый слой со всеми вытекающими отсюда последствиями в виде глобального потепления. Заменив их полупроводниковыми элементами, можно получить экологически надежные и к тому же тихие холодильники, поскольку компрессор в этом случае тоже не понадобится. Одного этого достаточно, чтобы заработать на изобретении миллионы.

Если удастся "встроить" клатраты в современные технологии и с их помощью заставить работать сверхпроводники, то, помимо прибыли, можно ожидать и всемирного признания. Ведь революционеров от науки принято поощрять Нобелевской премией.

Настя Резниченко
Добавить в:  Memori  |  BobrDobr  |  Mister Wong  |  MoeMesto  |  Del.Icio.Us  |  Google Bookmarks  |  News2.ru  |  NewsLand.ru

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Яндекс цитирования NOMOBILE.RU Семь Дней НТВ+ НТВ НТВ-Кино City-FM

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера