Сотрудники Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН занимаются квантовой химией — их расчеты помогают в разработке одномолекулярных магнитов для электроники, ракетных топлив и подушек безопасности для автомобилей.
«Квантовая химия занимается расчетами свойств атомов и молекул, исходя из уравнений квантовой механики. Можно сказать, что это квантовая механика молекул», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории механизмов реакций ИХКГ СО РАН кандидат физико-математических наук Виталий Георгиевич Киселёв.
«Эта наука теоретически предсказывает свойства вещества с помощью фундаментальных квантовых законов на самом маленьком для химии масштабе отдельных атомов и молекул. Надежность квантохимических предсказаний была многократно проверена экспериментально, а за развитие этой области присуждена Нобелевская премия по химии 1998 года», — отмечает заведующая лабораторией доктор химических наук Нина Павловна Грицан.
Чаще всего квантовая химия применяется как способ дополнить эксперимент тонкими деталями, объяснить с точки зрения фундаментальной науки происходящие процессы, собрать воедино разрозненные данные. В то же время расчеты не подменяют собой сам эксперимент, не предназначены они и для того, чтобы перепроверить измеренные экспериментальные величины.
Например, с помощью квантовой химии можно понять, почему материал имеет определенную проводимость или магнитную восприимчивость, какие факторы на молекулярном уровне на это влияют. Кроме того, расчеты показывают, какие из возможных химических соединений будут наиболее перспективными или как необходимо модифицировать уже известные соединения, чтобы улучшить определенные свойства материалов. В конечном счете это позволяет избежать временных и денежных затрат на бесперспективные опыты.
В квантовой химии есть своя специализация. Часть ученых занимаются разработкой методов расчета свойств молекулярных систем и различных приближений к точным уравнениям квантовой механики. Используемые приближения (для электронов и ядер) решаются численно с помощью специальных комплексов программ. Другие исследователи сосредоточены на моделировании свойств химических веществ и процессов, то есть применяют эти методы к конкретным системам.
Ученые ИХКГ СО РАН пошли по второму пути. В частности, они занимаются объяснением магнитных свойств различных молекул — как эти молекулы друг с другом взаимодействуют, какую имеют электронную структуру. Изучая всё это в совокупности, можно узнать о свойствах новых магнитных материалов. Такие материалы надеются применять в электронике с высокой плотностью записи информации и емкостью в терабайты. Эти работы ведутся в тесной кооперации с экспериментаторами из Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН, Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Международного томографического центра СО РАН, а также из некоторых московских институтов.
«Сегодня для записи информации применяются целые конгломераты магнитных моментов. Если же получится использовать каждую отдельную молекулу, выступающую как одномолекулярный магнит, то это позволит на порядки увеличить плотность записи», — рассказывает Нина Грицан.
Однако до создания таких материалов еще далеко. Проблема — в свойствах магнитных молекул. При приложении магнитного поля магнитный момент одномолекулярного магнита ориентируется в пространстве определенным образом. Когда мы стираем информацию, определенная ориентация исчезает. Важно, чтобы это не происходило самопроизвольно. Однако на сегодняшний день такие системы работают только при очень низких температурах. Только в 2018 году зарубежные ученые синтезировали и изучили молекулу, которая долгое время сохраняет ориентацию магнитного момента в отсутствие внешнего магнитного поля при температуре 77 кельвинов (-196 °C). И даже это является серьезным достижением, потому что известные до этого одномолекулярные магниты проявляли такие свойства при температурах не выше 11 кельвинов (-262 °C).
«Квантовая химия позволяет рассчитывать, при каких физических и химических свойствах молекулы процессы записи и стирания информации происходят оптимальным образом, узнать тонкие детали структуры, которые приводят к правильному отклику на магнитное поле», — говорит исследовательница. Кроме того, изучение магнитных свойств этих молекул вносит вклад в общее понимание природы химической связи.
Другое направление работы лаборатории — кинетика разложения энергетических соединений. С точки зрения практических применений, ее исследование необходимо для создания компонентов ракетных топлив или, например, веществ, используемых в подушках безопасности для автомобилей.
Как работают такие подушки? Их главная задача — мгновенно раскрыться во время удара. В поддоне, который лежит в подушке, есть патроны, заряженные специальным соединением. Когда происходит удар, срабатывают датчики, за долю секунды соединение нагревается и разлагается, выделяя большое количество газа (как правило, это азот). Квантово-химические расчеты позволяют предсказать кинетику, установить тонкие детали этого процесса и организовать систему оптимальным образом.
«Мы много работаем с коллегами-экспериментаторами как в Новосибирске, так и в Москве, исследующими широкий круг энергетических соединений с разными применениями. Они изучают термическую стабильность экспериментально, а мы дополняем это расчетами. Например, в опытах по исследованию кинетики потери массы на весы в термоаналитическом приборе кладут образец материала, нагревают его и регистрируют уменьшение массы со временем. В принципе, это почти всё, что можно напрямую получить из эксперимента. Для того же, чтобы понимать, какие именно реакции произошли, что разложилось, с какой скоростью, какое соотношение различных продуктов получается в итоге, необходимы расчеты, — рассказывает Виталий Киселёв. — Также они позволяют более надежно экстраполировать результаты опыта. Допустим, вы измерили что-то при низких температурах, а в реальном устройстве это работает при гораздо более высоких. Просто перенести получившуюся кинетику, без детального понимания механизмов, нельзя — это может привести к серьезным ошибкам. В этом смысле расчеты довольно эффективно дополняют эксперимент».
Ученые ИХКГ СО РАН подчеркивают, что их исследования направлены не столько на создание каких-то конкретных продуктов, сколько на изучение общих свойств энергетических соединений. Что именно делает молекулу энергетической? Устойчивой? Почему в одних молекулах связи рвутся легко, а в других — более сложно? Это действительно фундаментальные вопросы, нацеленные на понимание природы энергетических соединений и химических связей в них, природы их термической стабильности.
Диана Хомякова
Фото из открытых источников
