Длиннорукие атомы

В 1997–1998 гг. физики из Университета штата Коннектикут (США) обнаружили молекулы рубидия, связанные сверхслабыми химическими связями огромной, по молекулярным масштабам, длины – от 10 до 100 нм (10^–8 – 10^–7 м). Эффект этот, получивший название фотоассоциации, наблюдался при воздействии лазерного облучения на пары рубидия при сверхнизких температурах. Примерно через 30 нс (3 х 10^–8 с) атомы испускали фотоны и взаимодействие исчезало. Подобные химические связи получили название «long-range» (дальнодействующие).

Чуть позже французские и немецкие ученые получили молекулу гелия с длиной связи 6,2 нм и энергией 0,008 Дж/моль (для стандартных химических связей этот показатель достигает сотен килоджоулей). Учитывая также, что обычные химические связи проявляются на расстояниях 0,1–0,3 нм, «дистанцию» более одного нанометра можно смело отнести к дальнодействующей. Все это позволяет говорить, что открыта новая эра в этой области химии.

Стоит заметить, что существование дальнодействующих, а, следовательно, слабых химических взаимодействий, было предсказано автором одновременно и независимо (см. «НГ-наука», март, 1998). И, действительно, предпосылок для гипотезы существования дальнодействующих химических связей накопилось к тому времени предостаточно. Так, свойство свежерасщепленных листочков слюды сцепляться вновь при простом сдавливании было известно задолго до работ американских и немецких исследователей (опыты отечественных ученых И.Обреимова, Б.Дерягина и других авторов). Мало того, нами было установлено, что на сцепление слюдяных пластин не оказывает заметного влияния даже различие кристаллических структур контактирующих тел.

Вообще дальнодействие между атомами, возможно, не такая уж редкость. Как проявление дальнодействия можно рассматривать, например, колебательные реакции (реакции Белоусова–Жаботинского), открытые еще в середине прошлого века. При условиях, далеких от равновесных, протекание этих реакций выглядит парадоксально: раствор меняет цвета, переходя из красного в синий и снова в красный. Получается, что молекулы как бы устанавливают связь между собой на макроскопических расстояниях через большой отрезок времени.

Можно вспомнить и высказывание Альберта Эйнштейна о мгновенном взаимодействии частиц, которое он охарактеризовал как «призрачное дальнодействие».

Различного рода биоконтакты, соединения синапсов нейронов головного мозга, по сути, также могут быть объяснены дальнодействующими химическими связями. Отечественный химик Ю.Ровенский считает, что для перемещения клетки ее контакты не должны быть ни слишком прочными, ни слишком слабыми. Образно говоря, одинаково трудно перемещаться как по клею, так и по скользкому льду.

Еще в 30-е годы прошлого века немецкий исследователь Паскуаль Йордан предполагал существование неизвестных квантовых резонансных сил дальнодействия. Однако после критики этой работы знаменитым химиком Лайнусом Полингом (будущий нобелевской лауреат) Йордан свои исследования в этом направлении свернул. А зря. Теперь вот оказывается, что, возможно, именно подобные взаимодействия и обнаружили исследователи из Университета штата Коннектикут.

Думаю, что и так называемые ван-дер-ваальсовы молекулы можно отнести к молекулам с химическим дальнодействием. Они, как и «long-range» молекулы, так же образуются при низких температурах, если глубина потенциальной ямы много больше энергии теплового движения, КТ (К – постоянная Больцмана, Т – температура). К примеру, для молекулы аргона равновесное расстояние оказалось равным 0,457 нм, для молекулы кальция – 0,428 нм, что в разы превышает длину типичной химической связи.

Что касается времени существования дальнодействующих связей (30 нс), то это, надо полагать, только начало. Если исследователи начнут систематически искать подобные молекулы, то и диапазон «времен» расширится. Но и за 30 нс чего только не происходит.

Разряд молнии, например, длится микросекунды, но молекулы озона успевают образоваться в изобилии. Оксидные пленки на твердых телах образуются за время в 1000 раз меньшее, чем наносекунда (10^–12 с). Что касается цепных реакций, то еще академиком Николаем Семеновым лет 70 назад было показано, что скорость генерации атомов хлора в 1 секунду с одного квадратного сантиметра достигает 10¹³ атомов. Для формирования изображения на сетчатке глаза достаточно менее 1 аттосекунды (10^–18 с). Так что секунда – это огромное время в химическом мире!