У новых молекул - длинные руки

Картина Палма Виччио (1480 –1528)«Венера и Купидон » – хорошая иллюстрация к разговору о загадочных сверхдальних химических связях.

Зачастую невозможно проследить, как рождается в голове ученого то или иное открытие.

В выпуске "НГ-науки" за март 1998 года (рукопись поступила в редакцию в 1997 г. - Ред.) была опубликована моя статья, в которой констатировалось, что в природе, по-видимому, существует новый тип химических связей, не описанный ранее в науке. Я назвал их дальнодействующими химическими связями.

Практически одновременно эта гипотеза была подтверждена исследователями из США, которые получили молекулу рубидия с длиной связи около 100 нанометров (100х10-9 м)! Энергию связи определить не удалось - она была очень мала. Подобные связи в зарубежной научной литературе получили название "long-range". Чтобы было понятно, что речь идет о событии из ряда вон выходящем, укажем, что длина связи в обычных молекулах (размер молекулы) составляет доли нанометра. После первых экспериментальных результатов подобные молекулы стали искать целенаправленно. Успех не заставил себя ждать.

В сентябре нынешнего года французским ученым удалось создать самую большую молекулу: новое объединение инертных атомов по размерам превышает маленький вирус (от 10 до 100 нм). Сообщение было опубликовано в "Бюллетене американского Института физики". Приводимые ранее данные о длине связей в молекуле гелия (6,2 нм, энергия связи - 0,008 Дж/моль), видимо, уточнены. Естественно, что чем больше длина связи, тем меньше ее энергия, что указано в любом учебнике по химии для средней и высшей школы.

Технология получения французами молекул с long-range связями была такова. Ученые из Ecol Normal Superior начали с сильного охлаждения не вступающих во взаимодействие атомов газа и удержания их в ловушке из магнитного поля. Образовалось облако, где каждый атом гелия находился в долгоживущем метастабильном состоянии и обладал повышенной внутренней энергией. При этом горячие атомы испарились, а холодные остались, понизив температуру облака до 10 микрокельвинов. Затем на это "облако" воздействовали лазерным излучением, которое "спаривало" атомы гелия в процессе "фотоассоциации". Таким образом удалось создать такие условия, что атомы двухатомной молекулы гелия были расположены достаточно далеко друг от друга, что и позволяет им избежать разрушительного действия автоионизации.

Схожая методика была использована ранее учеными США. Журнал "Science" опубликовал статью об этом достижении под элегантным названием "Легкий флирт холодных атомов" ("Сайенс" от 10.04.98). Думаю, что копилка подобных молекул будет пополняться, так как ворота "лонг-рэндж" открыты. Раньше такие молекулы просто не искали - кто мог предложить, что химические связи могут иметь такую протяженность?!

Однако предпосылки, говорящие о возможности реализации подобных вариантов в природе, уже имелись. Например, экспериментальные данные по "самозалечиванию" микротрещин в кристаллах, т.е. восстановление нарушенной прочности. Ясно, что расстояние между поверхностями было значительным. Опыты Г.П. Упита с сотрудниками (Рига, Институт физики) по сцеплению ювенильных (свежеобразованных) поверхностей металлов после разрушения образцов также подтверждали эту возможность.

Известны примеры из физики: элементарные части кварки обмениваются еще более элементарными глюонами и за счет этого удерживаются друг с другом. Кварки нельзя развести, так как чем больше расстояния между ними, тем сильнее глюонная связь (от англ. glue - клей, склеивать). Широко описано действие радиации на хромосомы, приводящее к разрыву хромосом и их восстановлению ("склеиванию") по месту разрыва. Многочисленные эксперименты по восстановлению нарушенной прочности слюд на воздухе и в вакууме приводят к таким же выводам.

Так что обнаружение сверхслабой химической связи большой протяженности не должно было бы вызывать удивление. Ведь еще лет 30 назад эксперименты М.С. Мецика по взаимодействию свежерасщепленных листочков слюд различных марок через водную пленку толщиной более 20 нм должны были бы заставить задуматься. Но в науке всякое бывает. Углубляясь в историю, можно отметить, что к подобным выводам мог прийти и советский генетик Н.Кольцов при объяснении "репликации", и физик П.Йордан (Германия), который еще в 30-х годах прошлого века предполагал существование неизвестных "квантовых резонансных сил дальнодействия", но его раскритиковал Лайнус Полинг - авторитетнейший химик, дважды лауреат Нобелевской премии. Йордан сник, о дальнейших его работах неизвестно, тем более его в СССР не публиковали, т.к. он был членом нацистской партии.

Так что довольно сложно перечислить все моменты, которые навели меня на факт существования молекул с дальнодействующими химическими связями. Они подробно описаны в моих публикациях ("Труды Московской госакадемии приборостроения и информатики за 2000-2002 гг.", тезисы различных конференций, в т.ч. и международных, - Бристольский университет, Англия). Можно лишь резюмировать, что с развитием фемто- и аттохимии (то есть химии, на расстояниях 10-15, 10-18 м) в ближайшее время появится не одна публикация по указанной проблеме. Несмотря на то что некоторые из "лонг-рэндж" связей короткоживущи, вклад их в ряд процессов и явлений может быть определяющим. Так, по аналогии можно указать на больший вклад межмолекулярных взаимодействий в сцепление (адгезию) ряда систем типа "пленка-подложка", хотя их энергия на порядок ниже энергии химических связей. А от пополнения копилки "лонг-рэндж" связей я испытал удовлетворение.