О новых химических элементах, аномальных сверхпроводниках и рекордах МГУ рассказывает Андрей Владимирович Шевельков ― член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой неорганической химии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
― Где в периодической таблице Д.И. Менделеева проходит грань, отделяющая природные химические элементы от созданных искусственно? Правда ли, что природных химических элементов мы больше найти не сможем и таблицу впредь будут пополнять только искусственные?
― На второй вопрос ответить очень легко: да, это правда. А с первым дело обстоит сложнее: многие считают, что последний природный химический элемент периодической таблицы ― это уран, атомный номер которого 92. Уран радиоактивен, и различные его осколки могут оказаться довольно большими по массе, так что шанс встретить более тяжелый элемент в природе в каких-то следовых количествах, конечно, есть. Разумеется, этот факт не имеет никакого научного или прикладного значения, но для обсуждения вполне интересен.
― Максимальная глубина, на которую удалось пробурить Землю, на текущий момент составляет чуть более 12 км. Может, все-таки есть шансы найти новые природные химические элементы, если мы когда-нибудь проникнем под кору еще глубже?
― Я все же думаю, что открытие новых природных химических элементов невозможно. Каждый последующий элемент в таблице Д.И. Менделеева имеет бо́льшую массу, чем предыдущий, и проблема заключается в том, что с увеличением массы ядра атома уже не хватает ядерных сил, чтобы удержать вместе все его составляющие. Поэтому мы и наблюдаем естественный природный процесс ― радиоактивный распад ― у многих элементов. Чем больше масса, чем тем легче получить этот распад.
Чем дальше химический элемент расположен в таблице Менделеева, тем меньше время его жизни. И если такие радиоактивные элементы, как уран, имеют период полураспада миллиарды и более лет, то современные элементы конца периодической таблицы, например 118-й элемент оганесон, живут всего лишь микросекунды!
В 2016 г. новый, 118-й, химический элемент таблицы Менделеева получил название «оганесон» в честь признанного мирового лидера в области синтеза сверхтяжелых элементов академика Ю.Ц. Оганесяна, научного руководителя лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ. Таким образом, Юрий Цолакович Оганесян стал первым отечественным ученым (и вторым в мире), чьим именем при жизни был назван химический элемент.
Фото: из архива «Научной России»
― То есть дальше мы будем открывать новые искусственные элементы, время жизни которых будет все короче и короче?
― Да, я бы сказал, что тенденция примерно такова. Это не значит, однако, что каждый последующий элемент обязательно будет жить меньше, чем его предшественники, но, вероятно, мы уже не получим новые химические элементы, которые смогут жить дни, годы, десятилетия, века. И в целом корректнее говорить не о том, что мы будем открывать новые химические элементы, а о том, что их будут синтезировать специалисты ядерной физики.
Раньше химики и геологи открывали новые элементы в природе, а теперь их синтезируют физики в лабораториях.
― В одной из своих лекций вы говорили, что следующий новый химический элемент, вероятно, будет похож на щелочной металл франций с атомным номером 87. Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.
― Дело в том, что даже те сверхтяжелые элементы, которые синтезируются в последнее время, так или иначе вписываются в общие тенденции периодического закона, согласно которому элементы, находящиеся в одной группе, обладают схожими свойствами. Это не значит, что они должны быть похожи, как братья-близнецы, но некоторые общие закономерности будут существовать. Исходя из этого, мы можем предсказать конфигурацию следующего открытого элемента. Так вот, после оганесона, на котором сейчас заканчивается периодическая таблица, должен идти элемент № 119, повторяющий в какой-то степени, в том числе по конфигурации электронов, щелочные металлы. При этом он сам, будучи короткоживущим (речь идет о микросекундах), не будет щелочным металлом.
― Столь короткое время жизни, как у последних элементов таблицы, не мешает проводить какие-то манипуляции с ними?
― В целом очень сложно говорить о химических свойствах элементов, время жизни которых составляет микросекунды. Скорее всего, с ними возможно проводить только сверхбыстрые физические эксперименты, позволяющие в той или иной степени оценить ожидаемые свойства.
Если говорить о практическом использовании ожидаемого 119-го элемента, то я не могу представить ни одного примера использования такого элемента, кроме выявления фундаментальных закономерностей природы в физике в первую очередь.
― Что это за закономерности?
― Например, поиск ответа на вопрос, как будут себя вести протоны и нейтроны при увеличении их количества. Что именно будет происходить? Как будет осуществляться распад? Какие энергии будут выделяться? Какие энергии потребуются для осуществления этого процесса? Это темы, которые пока кажутся очень далекими от практического применения. Но история науки знает массу примеров, когда то, что мы считали фундаментальным и глубинным, находит свое прикладное значение спустя десятки или даже сотню лет. Один великий ученый как-то сказал, что химия делится на две части: прикладная и пока еще не прикладная. Думаю, это справедливо и для физики.
Последние шесть элементов седьмого периода таблицы Менделеева — 113, 114, 115, 116, 117, 118 — были синтезированы в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (ОИЯИ) на ускорительном комплексе У-400 в лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в сотрудничестве с физиками и химиками Национальных лабораторий США.
Источник фото: Russia Beyond (общественное достояние, Legion Media, Getty Images)
― Есть ли в таблице Менделеева лишние химические элементы, которые в принципе не нужны природе?
― А что значит «не нужны»? Если вы имеете в виду прикладные, а не фундаментальные аспекты, то наверняка сверхтяжелые химические элементы, созданные искусственно, пока еще не нужны. Если же мы берем химические элементы, уже существующие в природе, то практически каждый из них находит хотя бы минимальное применение. Есть интересный пример на эту тему. Долгое время считалось, что редкоземельный элемент гольмий бесполезен и только мешает добыче соседних элементов. Оказалось, что это не так, и сегодня гольмий находит свое применение в различных магнитных сплавах и не только там. С прикладной точки зрения я не могу назвать ни один лишний элемент в таблице Менделеева. С фундаментальной точки зрения ― тем более: все элементы крайне важны, потому что они помогают прослеживать тенденции в изменениях свойств самих элементов и их соединений, начиная с фундаментальных свойств и заканчивая реакционной способностью соединений.
― Какие химические элементы в будущем станут редкими? Все природные химические элементы ― исчерпаемые?
― Сложно прогнозировать, потому что это зависит от того, как будут развиваться наши технологии. Могу предположить, что довольно распространенный химический элемент под названием стронций в течение ближайших 50 лет может оказаться под угрозой исчезновения именно из-за того, что его активно используют при создании новых и модернизации старых технологий. Но если наши технологии изменятся, то вполне возможно, что и потребность в таком большом количестве стронция отпадет, а вместе с этим уйдет и угроза его исчезновения.
Вероятность исчезновения того или иного химического элемента зависит от двух факторов: первый ― как много этого элемента находится в природе, второй ― существует ли технология его переработки и извлечения (что-то вроде вторсырья).
Современная формулировка периодического закона Д.И. Менделеева: свойства химических элементов, а также свойства и форма образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов.
Источник фото: фотобанк 123RF
Разумеется, исчерпаемы все химические элементы, но вопрос в том, насколько быстро они могут быть израсходованы. Есть, например, такие широко распространенные элементы, как кремний или железо, исчерпать которые в ближайшие сотни и даже тысячи лет не представляется возможным. Если говорить о том, где мы берем химические элементы, то это опять же зависит от того, создана ли для данного элемента технология переработки. Если она есть, то и элемент может исчерпаться не так быстро, как в случае ее отсутствия. Так, примерно четверть олова сегодня добывается не из недр Земли, а в результате переработки вторсырья. Это очень большой процент. Нечто похожее происходит и с железом. Оно ржавеет, затем его перерабатывают, получая новые продукты: сталь, чугун и др.
― Давайте немного отвлечемся от таблицы Менделеева и поговорим о работе кафедры, которую вы возглавляете. В 1994 г. здесь был побит мировой рекорд высокотемпературной сверхпроводимости. Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.
― Сама по себе сверхпроводимость ― это в какой-то степени уникальное явление: понизив температуру вещества до определенного предела, мы можем создать проводник электричества, в котором ток не будет теряться совсем!
Передача тока без потерь ― заветная мечта ученых, создающих новые технологии.
Действительно, в 1993 г. на нашей кафедре впервые в мире был достигнут рекорд сверхпроводимости при температуре 130 К. Буквально через несколько недель этот рекорд был побит американскими и итальянскими учеными, достигшими рекорда 153 К, но эксперимент коллег в отличие от нашего проводился с применением большого давления — 30 ГПа. Если же говорить об эксперименте в условиях отсутствия такого давления, то наше достижение до сих пор никем не превзойдено. Наш эксперимент проводился на волне бума сверхпроводимости и поиска новых сверхпроводников в 1990-е гг. Но тематика сверхпроводников находит свое продолжение и в настоящее время ― не только в стенах наших лабораторий, но и на производствах, не связанных с МГУ.
Кристаллическая структура высокотемпературного сверхпроводника ― оксида иттрия-бария-меди, сохраняющего свои свойства даже при 77 К (то есть при температуре кипения жидкого азота). Вещества c подобной структурой считаются одними из наиболее перспективных сверхпроводников будущего.
Источник фото: Rswarbrick / Д.Ильин (перевод, оптимизация) / Википедия
― Я слышала, что самая большая мечта ученых, занимающихся сверхпроводимостью, ― получить сверхпроводимость при комнатной температуре. Насколько далеко наука продвинулась в этом направлении?
― Для реализации этой мечты опять же нужно приложить очень большое давление. При гигантских давлениях, измеряемых в сотнях ГПа, можно перейти в сверхпроводимость при температурах, приближающихся к нулю градусов Цельсия. Применить на практике такое вещество пока невозможно, потому что столь гигантские давления можно создать только в рабочей сердцевине определенных приборов ― это невероятно сложный и дорогостоящий процесс.
Теоретически достичь сверхпроводимости при комнатной температуре возможно, но пока неизвестно, что нужно сделать, чтобы эта комнатная температура сочеталась с нормальным или слегка повышенным давлением. Исследования в этой области продолжаются, в том числе в лабораториях нашей кафедры. Пока сложно сказать, сколько лет потребуется для реализации заветной мечты многих ученых. Дело осложняется еще и тем, что все новые сверхпроводники не описываются классической фундаментальной теорией сверхпроводимости, выдвинутой в середине прошлого века и описывающей привычные нам сверхпроводники, работающие при низких температурах.
― Речь о так называемых аномальных сверхпроводниках? Это очень интересно!
― Именно так. Эти новые сверхпроводники аномальны с точки зрения современной физической теории. Они, видимо, работают в рамках иных физических явлений, нежели обычные сверхпроводники. Нам очень важно понять, каким образом возникают их особые свойства, в каком химическом соединении это происходит и как влияет на повышение температуры. Пока эти вопросы остаются без ответа. Нам интересно исследовать все сверхпроводники, температура перехода в сверхпроводящее состояние которых выше, чем температура кипения гелия, то есть выше -269° C.
Мы знаем некоторые закономерности работы аномальных сверхпроводников, но у нас нет полной предсказательной теории. Описать явление и понять, почему оно происходит, можно, но связать все эти знания в единую систему закономерностей, описанных теоретической физикой, пока не удается.
