Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья

Андрей Шевельков

Партитуру химии нужно не просто исполнить, ее нужно сочинить!

Жан-Мари Лен

Сколько вы обычно носите в сумке либо в кармашке ключей? Наверное, у вас есть ключ от наружной и внутренней дверей квартиры; вероятнее всего – от почтового ящика; ну а у тех, кто водит машину, еще, как минимум, найдется пара Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья ключей. Но сколько бы их ни было, каждый ключ подходит только к строго определенному замку – в этом-то и заключается смысл существования ключа (и замка тоже). Оказывается, на аналогичном принципе «ключ – замок» базирована способность био молекул к самоорганизации и селективному взаимодействию с другими частичками, именуемая молекулярным определением. Только благодаря этой возможности Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья может быть, к примеру, образование двойных спиралей ДНК либо появление – в ответ на попадание чужеродного тела в организм – иммунных реакций, заключающихся в синтезе особых белков для нейтрализации «непрошенных гостей». Рвение исследователей воплотить такие процессы в искусственно сделанных системах было так велико, что привело к формированию на Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья рубеже 80...90-х годов отдельной области химии, нареченной французским ученым, лауреатом нобелевской премии, Ж.-М. Леном супрамолекулярной химией.

Супрамолекулярная химия

Супрамолекулярная химия – раздел химии, описывающий сложные образования, которые являются результатом ассоциации 2-ух и поболее хим частиц, связанных совместно межмолекулярными силами. Супрамолекулярная химия – химия молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей.

Современная супрамолекулярная химия Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья изучает процессы молекулярного определения и селективного связывания молекул в так именуемые супрамолекулы и супрамолекулярные ансамбли. Супрамолекулы представляют собой отдельные большие образования, состоящие из огромного, но непременно конечного числа молекулярных олигомеров. В то же время супрамолекулярные ансамбли, к которым относятся мембраны, везикулы, мицеллы, дендримеры, блоксополимеры, клатраты, являются полимолекулярными системами, возникающими в Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья итоге спонтанной ассоциации компонент и владеющие определенной пространственной организацией, с которой нередко связаны уникальные физико-химическими характеристики.

Образование супрамолекул предполагает комплементарность (геометрическую и хим взаимодополняемость) составляющих ее частей, именуемых молекулярными сенсором и субстратом. Во всех супрамолекулярных системах сенсор (владелец) содержит молекулярные центры (точь-в-точь как замок – замочную скважину), нацеленные Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья на селективное связывание определенного субстрата – «ключа» (либо «гостя»).

Как и в обыкновенной химии, для связывания молекул должны появиться определенные взаимодействия, за счет которых произойдет упорядочение в пространстве молекулярных блоков и сформируется супрамолекулярная «архитектура». Но, в отличие от обычных нам молекул, в каких атомы объединены ковалентными либо ионными связями, в Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья супрамолекулах удерживание отдельных фрагментов происходит за счет невалентных межмолекулярных взаимодействий, к которым относятся водородные связи, электростатические силы, лиофильные и лиофобные взаимодействия.

Почему же супрамолекулярные системы не распадаются на составные части, спросите вы – ведь энергия таких взаимодействий на 1...2 порядка ниже энергии валентных связей? Естественно, если подвесить тяжкий предмет Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья на узкой ниточке, то она непременно порвется, но если таких нитей будет много, нагрузка распределится меж ними умеренно – получится крепкий канат. Вот и в случае слабеньких связей в ансамблях, когда их становится много, это приводит к образованию устойчивых и совместно с тем гибко изменяющих свою структуру ассоциатов. Такое сочетание прочности и Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья возможности стремительно и обратимо реагировать на наружные воздействия является соответствующей чертой всех био молекулярных систем – нуклеиновых кислот, ферментов, белков.

Но супрамолекулярная химия далековато не ограничивается био системами – подобные принципы действуют и при образовании неорганических всеохватывающих соединений типа «гость – хозяин». Например, в случае краун-эфиров наличие кислородных центров дает Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья возможность образования устойчивых комплексов с ионами металлов, селективность к которым строго определяется соответствием размера металла объему внутренней полости цикла.

Рис. 1. Супрамолекулярные соединения как «молекулярные сита»

Для супрамолекулярных систем важным является принцип комплементарности: геометрическое, топологическое и зарядовое соответствие гостя и владельца. Размер полости владельца определяет размер «желанного гостя»; чем Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья поточнее соответствие «гость – хозяин», тем выше устойчивость ансамбля.

Область внедрения супрамолекулярных соединений

В текущее время новенькая область неорганической химии – химия клатратов и соединений внедрения – интенсивно развивается, внося большой вклад, как в фундаментальные познания, так и в практические разработки новых материалов. Это обосновано тем, что уже сейчас супрамолекулярные системы находят обширное Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья применение в сорбции и селективном катализе, рассматриваются в качестве более многообещающих кандидатов для захоронения радиоактивных отходов и разработки фармацевтических препаратов последнего поколения. Так, если кроме центров определения и связывания сенсор содержит другие многофункциональные группы, то после образования супрамолекулярной системы он может выступать в роли носителя, осуществляя направленный транспорт связанного с Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья ним субстрата в определенные области организма.

Рис. 2. Супрамолекулярные соединения как потенциальные кандидаты для водородных аккумов

Одна из более «прагматичных» и приземленных областей внедрения супрамолекулярных соединений – термоэлектрические материалы, которые уже на данный момент можно подержать в руках. Такие экзотичные материалы, создаваемые русскими учеными, могут произвести научную революцию и стать суровой Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья статьей дохода. К последнему впритирку подошла группа доктора Андрея Владимировича Шевелькова и его коллег из лаборатории направленного неорганического синтеза хим факультета МГУ, синтезирующих и изучающих супрамолекулярные клатраты, которые могут стать основой для термоэлектрических материалов последнего поколения.

Фононное стекло, электрический кристалл

Над материалами, которые очень могли бы охлаждать активный элемент, ученые Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья работают столько, сколько существует полупроводниковая электроника – база всех умных устройств. При всем этом от их пробуют достигнуть противоречащих друг дружке требований – неплохой электропроводности и аномально низкой теплопроводимости, чтоб тепло, похищенное у активного элемента электронным током, отводилось в сторону и не ворачивалось назад.

О возникновении по-настоящему массивных охлаждающих Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья термоэлектрических материалов в науке заговорили после того, как сначала 90-х годов прошедшего века появилась догадка южноамериканского ученого Слэка. Он не просто заявил о вероятности сотворения веществ с феноминальными качествами, но даже прописал механизм, по которому они могли бы работать.

Термоэлектрики такового уровня могли бы быть сделаны на базе Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья сложных хим соединений – супрамолекулярных ансамблей из атомов 2-ух типов – «хозяев» и «гостей». Молекулы владельца представляют собой решетку, построенную из крепких ковалентных связей. В ее пустотах размещаются подвижные атомы либо молекулы гостя, способные колебаться снутри созданного для их объема. Их резвое движение рассеивает фононы, которые служат проводниками тепла, тем, снижая Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья теплопроводимость. При всем этом поведение гостя никак не сказывается на электропроводности владельца – ее обеспечивают электроны, перемещающиеся по ковалентным связям каркаса. Благодаря тому, что объединенные в один молекулярный ансамбль элементы действуют обособленно, возникает возможность улучшить характеристики каждого из их. Тип таких веществ Слэк именовал фононным стеклом – электрическим кристаллом. Но, закинув удочку Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья, он не отдал головного ответа – какие вещества могли бы отвечать таким требованиям – и оставил химиков разламывать голову над воплощением этой замудренной догадки.

Термоэлектрические клатраты. Истинное и будущее

Как ни удивительно, ответ на загадку, брошенную южноамериканским физиком, был фактически готов. Свойствам таинственного фононного стекла отвечали так именуемые клатраты – соединения, имеющиеся в Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья природе, над исследованием которых химики работали не один десяток лет. Правда, занимались они ими быстрее из любопытства. Пробовали осознать, можно ли повторить их структуру, совмещая разные элементы. Самая 1-ая попытка показала, что такие вещества получить полностью реально: первым подопытным стал щелочной металл натрий, заключенный в решетку из атомов Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья кремния, за ним последовал йод, помещенный в клеточку, которая состоит из олова и фосфора. Когда серия тестов удалась, ученые задумались над тем, какую выгоду можно извлечь из соединений нового типа.

Концепция нового класса материалов «фононное стекло, электрический кристалл» – вещества, которые могут проводить электричество так же отлично, как кристаллический проводник, а Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья тепло – так же плохо, как стекло (Слэк, 1995). Обычные характеристики имеющихся полупроводниковых термоэлектрических клатратов:

малая ширина нелегальной зоны – 0,05...0,2 эВ;

высочайшая электропроводность – до 700 (мОм·см)–1 при комнатной температуре;

повышение электропроводности с ростом температуры;

высочайшая подвижность и концентрация носителей – до 2000 см2/В·с и 1018 1/см3 при комнатной температуре;

высочайшие значения коэффициента Зеебека Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья до 300 мкВ/К при комнатной температуре.

«О существовании клатратов мы знали, по поводу их параметров написано много книжек, – ведает доктор МГУ, доктор хим наук Андрей Шевельков. – Они повторяют по собственному строению некие формы существования воды, льда, когда в нем находятся жесткозаключенные примеси. Скажем, те соединения, которые мы изучаем Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья, нередко похожи на залежи метана во льду на деньке Мирового океана. В замороженном виде вода делает кристаллическую решетку, в какой и заключены молекулы метана».

Если в гидратах базу трехмерной кристаллической решетки составляют молекулы воды, то в полупроводниковых клатратах в ход идут атомы кремния, олова, германия, при этом отчасти они могут быть Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья изменены на непереходные элементы, к примеру, алюминий либо теллур.

«На самом деле, многообещающими термоэлектриками являются полупроводниковые клатраты, а совсем не обычные газовые гидраты. Особенностью полупроводниковых клатратов будет то, что каркас всегда несет на для себя электронный заряд. В большинстве соединений этот заряд отрицателен, другими словами каркас служит полимерным анионом Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья».

Естественно, для компенсации заряда нужно присутствие катионов. Потому в качестве атомов-гостей в кристаллическую решетку «приглашают» щелочные металлы, кроме лития, также стронций, барий и европий. В этом случае, если каркас заряжен положительно, то гостями-анионами служат галогены кроме фтора, либо теллур. В итоге атомы гостя в клатратах расположены Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья в пустотах каркаса владельца таким макаром, что имеют сильно много соседей на огромных расстояниях. Как следует, их позиции в центре клатратного многогранника не очень отлично фиксированы, и эти атомы получают возможность двигаться снутри ограниченного объема. Колебательное движение происходит с определенной частотой, которая совпадает с частотой распространения фононов – носителей тепла. При Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья всем этом происходит резонансное рассеяние фононов, и тепло перестает распространяться по кристаллическому жесткому телу, как если б это было стекло.

Чтоб синтезировать настолько сложное по структуре и свойствам вещество, одних хим реакций недостаточно – требуется учесть много причин, воспроизводить уникальную среду для взаимодействия частей. Наши спецы держат свои Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья способы в секрете.

«В мире насчитывается порядка 7 научных групп, которые занимаются этим классом веществ, три из их работают в США. У каждой группы свои способы работы, любая работает с определенными субстанциями. Но нам есть, чем гордиться – на сегодня мы достигнули наилучших характеристик по уменьшению теплопроводимости полупроводников, а это Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья принципиальный шаг на пути к созданию действенного материала».

Мерой эффективности термоэлектрических материалов является безразмерный показатель добротности, который а именно находится в зависимости от соотношения электропроводности и теплопроводимости. Из огромного набора соединений, доступных на сегодня российским спецам, по последней мере, три имеют значения теплопроводимости, в три с половиной раза наименьшие (наилучшие), ежели хоть Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья какой из коммерчески применяемых материалов. Если же эти вещества, которые снаружи представляет собой не много чем увлекательный сероватый порошок, получится довести до мозга и перевоплотить в материал, то полностью можно ждать революции на рынке полупроводников.

Сейчас полупроводники – нужный и многозначный «товар». По данным Ассоциации полупроводниковой индустрии, мировые Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья реализации полупроводников только за два первых месяца этого года превысили 40 млрд баксов. Что, вобщем, логично. Термоэлектрические материалы используют для остывания микропроцессоров в современных ноутбуках и компьютерах, а поэтому даже маленькой прогресс в этой области сулит суровую выгоду.

Что гласить о супрамолекулярных клатратах, которые при их превращении в настоящий материал могут произвести Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья революцию. Для начала может показаться новенькая область техники – супрамолекулярная электроника. Другими словами полупроводники последнего поколения сумеют охлаждать активный элемент так, чтоб в ход шли сверхпроводники – а означает, скорости, с которыми работают современные машины, вырастут в разы.

Супрамолекулярным клатратам найдется применение и в быту. Дело в том, что Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья термоэлектрические материалы уже используют в портативных холодильниках. Но они не способны охлаждать большие камеры, так что по старинке в бытовых и промышленных холодильниках употребляют хладагенты. Они же, по словам экологов, наносят значимый вред окружающей среде, разрушают озоновый слой со всеми вытекающими отсюда глобальными потеплениями. Заменив хладагенты полупроводниковыми охлаждающими элементами Супрамолекулярные клатраты в промышленности и быту - статья, мы получим надежные, экологически неопасные, да к тому же тихие холодильники, так как компрессор в данном случае тоже не пригодится.

Перечень литературы

Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия: Концепции и перспективы. Пер. с англ.– Новосибирск: Наука, 1998.

Стойков И.И. Начала супрамолекулярной химии. – Казань: ООО «Регентъ», 2001.



superfinishirovanie-referat.html
superkompyuter-dlya-tretego-tisyacheletiya-doklad.html
superkompyuting-na-pavt-2012-kolichestvo-i-kachestvo-lomonosov-svernul-godi-v-dni.html