Артём Оганов — химик, кристаллограф-теоретик, профессор РАН и Сколтеха, действительный член Европейской Академии и Королевского Химического общества.
В этой части — вопросы зрителей и ответы после лекции, в которой Оганов рассказывает о недавнем открытии российских физиков: недавно они выявили ранее неизвестный принцип, который связывает сверхпроводящие свойства соединений водорода и других элементов c местом последних в периодической таблице Менделеева. Его открытие приблизит создание материала, который смог бы сохранять подобные свойства при комнатных температурах.
Предыдущие лекции — с Ильей Хржановским, Александром Аузаном, Маратом Гельманом, Леонидом Вальдманом и другими — вы можете посмотреть на нашем YouTube-канале. Также за расписанием онлайн-лекций можно следить на нашем сайте.
Долгин: Спасибо большое, Артём. Я начну с некоторого своего, относительно общего вопроса. Когда нас учили школьной химии, мы часто слышали что-то вроде «при нормальных условиях». Вы, притом довольно стабильно занимаясь этим уже многие годы, пытаетесь как будто бы проверить эти нормальные условия на разные дополнительные параметры: на давление, на температуру… А на что еще есть смысл поиспытывать нормальные условия? Какие еще такие необычные варианты химии есть смысл поискать?
Оганов: Это замечательный вопрос. Очень интересна и важна химия низкоразмерных состояний, которой я тоже активно занимаюсь и которая тоже является очень необычной. Вообще говоря, это странно, потому что химики традиционно занимались молекулами, а не твердыми телами. Твердыми телами химики всегда как-то то ли избегали заниматься, то ли это было для них второстепенно. Самым важным для химиков всегда были молекулы.
Так вот, молекулярное состояние — это ведь низкоразмерное состояние. Мы говорим, что кристалл — это трехмерное состояние, потому что в трех измерениях он считает себя бесконечным. Если мы говорим, скажем, о тонкой пленке, то эта тонкая пленка двумерна, потому что в двух измерениях она себя считает бесконечной, а в третьем она тонкая. Если мы говорим о каком-то полимере, то это одномерное состояние вещества. А молекула, вообще говоря, нульмерна. Эти все низкоразмерные состояния вещества — двумерные, одномерные, нульмерные, — в них тоже очень интересная и очень, удивительно необычная химия. Про это я с удовольствием прочитаю как-нибудь в другой раз лекцию, в этот раз я хотел сфокусироваться на сверхпроводимости.
По поводу молекул: недавно у нас вышла работа, где мы изучали молекулы, или нанокластеры, содержащие кремний и кислород. Спросите любого химика — он вам скажет, что стабильным соединением будет SiO2. Но мы видим также стабильные молекулы состава Si2O3. Например: Si6O18 — замечательная молекула. Si4O3. Ну, и так далее. Замечательная стабильная молекула, и ничего с этим не поделать. Далее мы видим, например, Si4O18. Но, порывшись в литературе, я обнаружил, что такая молекула вообще-то уже известна. Только не Si4O18, а столь же экзотичная Р4O18. Структура, очень похожая на нашу.
Сейчас мы смотрим на эти факты не как на разрозненные курьезы, а как на кусочки какой-то общей картины, которую мы выстраиваем. Такие изолированные факты были известны, а сейчас мы выстраиваем целостную систему.
Так что низкоразмерные состояния — это тоже экстремальная химия. В кристалле каждый атом окружен правильным образом. Скажем, на поверхности кристалла или на пленке половина связей у атома оборваны, атом смотрит в вакуум. И этот атом находится в экстремальном состоянии. И его химическое поведение может быть очень-очень странным. Например, есть два элемента, которые совершенно не желают вступать в химическую реакцию: медь и бор. Борид меди попросту неизвестен. Поищите в справочниках — и ничего не найдете. А на поверхности кристалла меди, если ее бомбардировать атомами бора, прекрасно возникает двумерный борид меди. Потому что атомы меди на поверхности настолько реакционноспособны, они настолько активны химически, что даже с бором готовы образовать химические соединения. С чем угодно, лишь бы только скомпенсировать эти оборванные связи на поверхности.
Итак, низкоразмерные состояния вещества — это одна из таких экстремальностей, которые совершенно точно следует поизучать. А еще — сильные электрические или магнитные поля. С сильными магнитными полями происходит совершенно удивительная вещь: сильные магнитные поля кардинально меняют химию, это интересная и важная тема, потому что сверхсильные магнитные поля встречаются, например, в нейтронных звездах. Что там происходит? Возьмите два атома гелия. В норме у них заполненные электронные оболочки, которые отталкивают друг друга. В сильном магнитном поле происходит образование сверхсильной химической связи. Вот кто бы мог подумать?
Долгин: Интересно. То есть так мы, может быть, постепенно приблизимся из этого угла к вопросу о том, как устроено вещество в нейтронных звездах. Но вообще, в порядке маленькой реплики: возникает, конечно, большой вопрос, а как же именно должен быть устроен курс химии так, чтобы он учитывал всё это? Чтобы это не воспринималось как какие-то крайности, экстремальности, странности, так, чтобы он воспринимал это как одну из вполне органичных частей общей конструкции химии?
Оганов: Вы знаете, Боря, для вас не будет сюрпризом, потому что вы очень хорошо меня знаете, что я не люблю революции. Никакие. Вообще. Поэтому сжигать учебники, выбрасывать их на свалку, сдавать на макулатуру — это не мой стиль. Я считаю, что если авторы учебников, люди, которые имеют богатый опыт преподавания химии в школах и в университетах, считают, что этот материал должен быть включен, — пусть включают. Мне кажется, это важный материал, позволяющий немножко свежее взглянуть на вещи, которые, как нам казалось, мы хорошо знаем. Но для решения практических задач — например, чтобы построить завод по производству серной кислоты, — всё то, что я вам сегодня рассказывал, совершенно не нужно. Чтобы понять получше физическое явление сверхпроводимости — нужно. Чтобы понять, из чего состоят недра планет, вещество вблизи нейтронных звезд и так далее, — нужно. Но только не каждому школьнику это надо знать. Большинство школьников ведь никогда не столкнется с нейтронными звездами, сверхпроводимостью, недрами планет. А с химической промышленностью столкнется. Поэтому я не революционер. Но то, чем мы занимаемся, лично мне очень интересно, и, надеюсь, слушавшим эту лекцию — тоже.
Долгин: Да, эту логику я совершенно понимаю, насчет школьной химии, но просто само здание химии в целом начинает выглядеть немножко иначе.
Оганов: Да. Потому что мы на него смотрим чуть-чуть с другого угла. Всё, что было создано до сих пор, — оно правильно. Оно хорошо. Но это только фасад. Мы просто зашли немножко сбоку и посмотрели, что нефасадная часть дома недостроена.
Долгин: Хочется когда-нибудь увидеть весь «дом».
Оганов: А он никогда не будет достроен.
Долгин: Да-да, конечно. И, опять-таки, с этой точки зрения ваш рассказ очень интересен, потому что в нем видно, насколько по-разному бывает устроена последовательность действий в науке. Где может быть впереди эксперимент, а может быть впереди теория. То есть это, конечно, еще и методологически-научно, общепознавательно очень интересно.
Но я перестаю монополизировать микрофон, посмотрим, о чем нас спрашивают наши слушатели.
«К сожалению, в Москве нет таких давлений. Так какой сверхпроводник оптимален в плане температура-давление?»
Оганов: Пока что те сверхпроводники, о которых я говорил, не имеют технологического применения именно из-за того, что высокие давления. Проще создать низкую температуру, чем высокое давление. Поэтому традиционные сверхпроводники пока что никто не собирается вытеснять. Пока что. Но мы подбираемся к решению и этого вопроса. Может быть, это произойдет. Не будем загадывать, но мы, по крайней мере, стараемся, чтобы это произошло.
Сейчас по-прежнему будут использовать традиционные сверхпроводники: Nb3Sn, купратные сверхпроводники. Эти сверхпроводники никуда не денутся, они как использовались, так и будут использоваться. Наши сверхпроводники, которые работают при почти комнатной температуре (в скором времени, наверное, будут и при комнатной температуре, но под давлением) — вы из них никогда не сделаете кабель, вы из них никогда не сделаете сверхпроводящую катушку для генерации магнитного поля. Но можете сделать, например, микросхему или что-то миниатюрное, ведь когда вы получаете образец под огромным давлением в алмазных наковальнях, в этом состоянии образец может удерживаться годами и десятилетиями. А вся ячейка умещается на ладони.
Долгин: Замечательно. «Видите ли вы место в исследованиях высокотемпературных сверхпроводников методом нейтронного рассеяния?»
Оганов: Безусловно. Если мы говорим о тех сверхпроводниках, которые существуют при нормальном давлении, при нормальных условиях (купраты и прочие), там есть место нейтронографическим исследованиям, в частности нейтронографические исследования позволяют изучать магнитные свойства вещества. Правда, тогда, когда есть магнитное упорядочение, а оно убивает сверхпроводимость. Но тем не менее какие-то пограничные состояния, где может быть магнетизм, на границе исчезновения магнетизма и возникновения сверхпроводимости, наверное, было бы очень осмысленно изучать этим методом. Наши гидридные сверхпроводники нейтронографией было бы хорошо изучить, но практически это маловозможно. Дело вот в чем: рентгеновские лучи, которые мы используем в экспериментах для изучения кристаллической структуры, к сожалению, не видят водород. Они видят атом лантана, иттрия, серы, но они не видят атом водорода. Рентгеновские лучи отражаются от электронной плотности, а на атоме водорода она слишком маленькая. А вот нейтроны очень хорошо видят водород. Они отражаются от атомных ядер и прекрасно рассеиваются ядрами атомов водорода. Но вот беда, для нейтронографического исследования требуются большие образцы. Скажем, кубический сантиметр. А мы говорим об образцах размером… диаметром 10 микрон.
Долгин: «Можно ли рассматривать NaCl7 с точки зрения классической химии как NaCl в хлоре?» Последний кусочек я не понял, но, в общем, как вообще классическая химия… как с точки зрения классической химии должно бы рассматриваться соединение NaCl7?
Оганов: Я думаю, что правильнее всего его рассматривать как интерметаллид. Как своего рода упорядоченный сплав. Как это ни парадоксально звучит. Для сплавов, для интерметаллидов и сплавов классическая химия не может предсказывать их химический состав. Нет таких надежных правил (ненадежные — есть, а надежных нет), которые бы позволяли вам предсказывать химические составы интерметаллидов в общем случае. Это довольно печальное утверждение. Но точно так же с нашими этими NaCl7 и так далее. Это, видимо, правильнее всего рассматривать как интерметаллиды. Тот же самый LaH10, видимо, правильнее всего рассматривать как интерметаллид.
Долгин: Спасибо. Автор второго вопроса — по поводу методов нейтронного рассеяния — обращается к вам лично, приглашает вас в Дубну, в Объединенный институт ядерных исследований, Лабораторию нейтронной физики, у них есть что вам показать и предложить для совместных исследований.
Оганов: С огромным удовольствием. В Дубне у меня есть много друзей, и я восхищаюсь тем уровнем науки, которая делается в Дубне. С удовольствием приеду.
Долгин: Кроме всего прочего, за что я люблю наши публичные лекции — это за то, что на них иногда встречаются специалисты из разных институций, иногда и разных специальностей, и из этого что-то может вырастать. Я буду очень рад, если таким образом какая-то коллаборация осмысленная тоже появится.
Давайте попробую задать еще один свой вопрос. Он такой, можно сказать, на фантазию. Но вы ведь любите фантазировать? В хорошем смысле. Предположим, что сверхпроводники при комнатной температуре — более того, при не очень проблематичном уровне давления, не очень трудно достижимом уровне давления, — удалось получить. А я не сомневаюсь, что это у вас получится. Просто поставим это как условие. Что дальше происходит? Что удается сделать технологически за счет этого? Какие новые возможности у человечества появятся, когда это удастся?
Оганов: Я уже сказал про микросхемы, которые можно, в принципе, собирать внутри алмазных наковален. Возможно, это будет технологически востребовано. Самое же главное даже не в этом. Самое главное в том, что будет перейден еще один психологический барьер. Комнатная температура — 298 К. Она ничем не лучше и ничем не хуже, чем 297 К. Но если вы перепрыгиваете через эту температуру, то вы переходите важнейший психологический барьер. Давняя мечта человечества, мечта, которой больше 100 лет, — вы ее уже держите у себя в ладонях.
Знаете, еще совсем недавно считалось, что сверхпроводимость, основанная на взаимодействии электронов с колебаниями решетки, не может быть при температурах выше 28 К. Когда были получены экспериментальные данные о сверхпроводимости такого типа при 40 К, это было пересмотрено, и новым пределом назвали 40 К. А вот теперь оказывается, что, видимо, нет верхней границы. Собственно, об отсутствии верхней границы температуры сверхпроводимости уже очень давно говорил ныне покойный российский физик Евгений Максимов. Он до хрипоты спорил об этом и оказался прав.
Так вот, видимо, верхней границы нет. Видимо, мы можем двигать сверхпроводимость вплоть до комнатной температуры, но на практике получится или не получится — мы не знаем, но я думаю, что получится. При высоких давлениях. При низких давлениях — это еще вопрос.
Итак, всякого рода миниатюрные устройства — микросхемы и так далее — станут реальностью без охлаждения, это раз. Еще важнее то, что психологический барьер будет пройден, и давняя мечта человечества станет реальностью. А третье, может быть, еще более важное: я думаю, что из всех этих исследований мы поймем что-то очень важное о принципах, по которым работает высокотемпературная сверхпроводимость. Мы уже начинаем нащупывать путь к этому. Помните, я вам говорил про связь сверхпроводимости и таблицы Менделеева? Это один из тех ключиков, которым, я думаю, и откроется эта дверь к комнатной сверхпроводимости. Причем сейчас, в отличие от всей остальной лекции, под комнатной сверхпроводимости я имею в виду не сверхпроводимость при очень высоком давлении и комнатной температуре, а при комнатной температуре и комнатном давлении. Я думаю, что один из этих ключиков вы видели на одном из слайдов.
Долгин: То, что вы сказали, — это очень большое дело. Действительно, это преодоление психологической границы, это действительно возможность много чего в фундаментальном отношении. Но как… Вот давайте сделаем еще один шаг вперед: как изменится мир при этом? Представьте не только мир семинаров, исследований — того, что нас, безусловно, увлекает, — но как это повлияет на наши технологии, на наши возможности? Как обычный человек это почувствует? Не только придя послушать лекцию, прочитав книгу, придя в музей... Как изменится жизнь?
Оганов: Конечная наша цель — достичь сверхпроводимости при нормальных условиях: комнатной температуре и комнатном давлении. Если эта цель будет достигнута, это приведет к технологической революции. Представьте себе, что электричество будет передаваться без потерь от электростанции до вашего дома, до заводов. Резкое удешевление электричества. Множество проблем перестанут быть проблемами.
Представьте себе резкое удешевление технологий транспорта. Сейчас «Российские железные дороги»... я состою там в ученом совете и знаю, что практически каждое второе заседание ученого совета РЖД затрагивает вопрос создания в России сверхбыстрых поездов. Уже обсуждаются технологии, уже делаются калькуляции стоимости такого рода инфраструктурной постройки: соединить все крупные города России железными дорогами, по которым бы мчались поезда со скоростью 1000 км/ч. И вряд ли удастся это сделать без сверхпроводников. И если у вас есть комнатная сверхпроводимость, это будет сделать значительно дешевле, значительно проще.
Все вещи, такие как магнитно-резонансная томография и так далее, станут намного проще в использовании. Вам не нужно будет закупать жидкий гелий: это, в общем-то морока, и это удорожает использование всех этих технологий. Всё это будет намного проще и дешевле.
Все технологии, связанные со сверхпроводимостью, с генерацией сильных магнитных полей, смогут быть портативными. Вы сможете у себя в кармане держать источник сильного магнитного поля. Сейчас — не можете. Сейчас этот источник будет весить больше, чем вы.
Долгин: То есть возможность без потерь или почти без потерь передать энергию будет означать, что у человечества становится гораздо больше энергии, гораздо меньше ненужного тепла выделяется… Нет, ну вообще выглядит очень привлекательно. Хорошо. Но вообще хотелось бы в какой-то момент построить более объемную картинку этого, потому что, как кажется, ждать этого как бы не бесконечно осталось, судя по тому, что вы рассказываете.
Оганов: Вы знаете, мы, конечно, все оптимисты. Я эту картинку, существующее состояние дел описал бы так: мы, видимо, стоим в очень небольшом временном отрезке до получения комнатной сверхпроводимости при высоких давлениях, а вот когда комнатная сверхпроводимость при комнатном давлении будет создана, я вам пока что сказать не могу. Все эти работы резко ускоряют достижение этой мечты, но когда она будет достигнута, мы пока не знаем. При высоком давлении комнатная сверхпроводимость будет достигнута, может быть, за 2–3 года. Мне так кажется, но знаете, Бог и природа всё время над нами шутят. Кажется, вот оно — а ускользает. Может быть, ускользнет. Но понимаете, мы уже находимся на –13 °С. Мы уже так близко — можно считать, мы уже достигли этого.
Долгин: Когда-то, почему-то (может быть, по сходству слова, а может быть, нет) сверхпроводимость путалась у многих людей со сверхтекучестью. В эту сторону ваши исследования не двигались?
Оганов: Нет, сверхтекучестью мы никогда не занимались в моей лаборатории, потому что сверхтекучесть — это все-таки свойство жидкостей, квантовых жидкостей, таких, как жидкий гелий. Но вообще сверхтекучесть и сверхпроводимость имеют много общего: и то, и другое явление связано с квантовой статистикой, так называемой бозонной статистикой, когда у вас частицы имеют целочисленный спин. Электроны имеют полуцелый спин и подчиняются статистике Ферми. А вот бозонной статистике подчиняются частицы с целым спином — такие, как, например, фотоны, куперовские пары электронов (которые и отвечают за сверхпроводимость) и ядра гелия-4. Так вот, при охлаждении ансамбля бозонов проявляется такое явление, как конденсация Бозе–Эйнштейна, переход всех этих частиц в одно и то же квантовое состояние. Электроны не могут перейти все в одно и то же квантовое состояние, им это запрещает принцип Паули. А бозонные частицы — могут. И с этим связаны и сверхпроводимость, и сверхтекучесть. Эта квантовая статистика, одинаковая для сверхтекучего гелия и для сверхпроводников, и является фундаментальной объединяющей темой. Но сверхтекучестью мы никогда не занимались. Мне эта тема кажется очень интересной и очень важной, но там кристаллографы не требуются.
Долгин: Что-то мне подсказывает, что даже широкие рамки кристаллографии в какой-то момент перестанут вас удовлетворять, захочется идти шире.
Оганов: Пока что они меня устраивают. У меня есть свои хобби, там я вполне отрываюсь. Мне очень нравится, например, история, очень нравится с детьми общаться. Это не вписывается в рамки кристаллографии. А научные мои интересы пока что вполне в нее помещаются.
Долгин: Спасибо большое. Я желаю, чтобы эти исследования продолжились и чтобы вопрос о сверхпроводимости при комнатных условиях, при нормальных условиях был решен как можно быстрее. Мне кажется, что это, может быть, одно из тех направлений, которое может менять нашу жизнь не менее радикально, чем очень важные, несомненно, биотехнологии, медицинские технологии, но вот и это тоже.
