#ЗНАТЬ. «Запрещенная» химия и новые неожиданные материалы

Стенограмма лекции кристаллографа, профессора и заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов в Университете Штата Нью Йорк (Стони Брук), адъюнкт-профессора МГУ Артема Оганова, прочитанной 7 декабря 2014 года в рамках Фестиваля публичных лекций #ЗНАТЬ – совместного проекта информационно-аналитического канала «Полит.ру» и Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства г. Москвы.

Борис  Долгин:  Добрый вечер, уважаемые коллеги! Сейчас состоится самая последняя лекция фестиваля публичных лекций #ЗНАТЬ, совместного проекта Полит.ру и Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства города Москвы. Это 20 лекций из разных областей знания. Которые мы постарались подобрать как некоторый канон жанра. Как некоторое знакомство с передовым состоянием науки в разных ее областях.

Наша последняя лекция посвящена химии. Она называется «Запрещенная» химия и новые неожиданные материалы».  Наш лектор, к счастью, уже бывал у нас в цикле публичных лекций Полит.ру. Мы очень рады, что он вновь согласился принять участие в нашем проекте. Это Артем Оганов. До недавних пор его титулатура звучала как «профессор и заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов в Университете штата Нью- Йорк в Стоуни Бруке, адъюнкт-профессор МГУ, почетный профессор Гуйлиньского  университета, руководитель лаборатории компьютерного дизайна материалов Московского физико-технического института. Но, насколько мы знаем, некоторые жизненные планы нашего сегодняшнего гостя меняются, и вскоре могут появиться некоторые другие интересные должности.  Научные. Ничего лишнего.

Регламент наш традиционный: вначале собственно лекционная часть, а во второй части уже можно будет задавать вопросы, как всегда только в микрофон, подняв руку и так далее.  Пожалуйста, Артем.

Артем Оганов: Спасибо большое, Борис. Добрый вечер, друзья. Для меня огромное удовольствие, огромная честь  быть лектором для Полит.ру. Уже несколько раз я удостаивался этой чести и каждый раз получал гигантское удовольствие от общения и с ведущими и с аудиторией. И в этот раз тоже для меня эта лекция особенная, потому что я только сегодня прилетел в Москву и, в общем, собираюсь здесь уже остановиться навсегда.  Я переехал в Россию. И, конечно, начать этот новый этап моей жизни с лекции Полит.ру, мне кажется, было правильно. Я приехал после бессонной ночи и проснулся буквально час назад, чуть не опоздал, на самом деле даже чуть-чуть опоздал на свою же собственную лекцию; надеюсь, вы меня за это простите.  

В этой лекции я хотел бы рассказать вам о наших недавних работах, которые возводят на пьедестал школьных двоечников. То есть я столько людей знаю, которые ненавидели химию в школе, которые получали двойки. На второй год, кажется, никто не оставался, но двоек и слез химия принесла человечеству очень много. Так вот, сегодняшнюю лекцию позвольте посвятить как раз этим страдальцам ради общего блага, школьным двоечникам по химии. Дело в том, что те открытия, которые были сделаны нами за последние год-два, показывают, что многие из этих двоек, полученных нашими маленькими страдальцами, были напрасны. Потому что нам удалось открыть целый класс химических соединений, которые нарушают традиционные правила химии, не вписываются в них, и за которые любой школьный ученик, конечно, получил бы двойку. Ну, например, кто может назвать химическую формулу хлорида натрия? А что бы вы получили в школе, если бы вы сказали Na₃Cl?  Ну вот? Собственно? об этом и речь.

Итак, давайте начнем по порядку. Вообще началась вся история с того, что я стал разрабатывать методы, которые позволяли бы предсказать новые материалы на компьютере. Предположим, вам нужен материал с некими особыми свойствами. Вам нужно понять, какой должен быть его состав, как его получить. Это очень амбициозная цель. Дело в том, что до сих пор, включая нынешний момент, практически все материалы, которые были изобретены человечеством (а новые материалы - это новые технологии  это будущее), так вот, практически все новые материалы, которые были изобретены человечеством до сих пор, были открыты либо случайно, либо методом проб и ошибок. Что, в общем, тоже почти что случайно. Это не совсем научные способы, это способы, которые отражают на самом деле недостаточность наших возможностей и знаний. Это методы средневековые, если хотите, которыми ученые до сих пор пользуются в поиске новых материалов.  Это дорогостоящие методы, на них требуется много времени, тяжелый экспериментальный труд. И, конечно, это неудовлетворительно. Если мы хотим  быстро разрабатывать новые технологии, прорывные технологии, нам нужны новые материалы, на поиск которых у нас не уйдет 50 лет. Вот это цель наших работ по созданию методов компьютерного предсказания новых материалов.

Вот несколько курьезов из того, как материалы были найдены. Ну, во-первых, пионером этого метода «проб и ошибок» был Эдисон. И Эдисон говорил: «Я не потерпел 10 тысяч неудач, я лишь нашел 10 тысяч способов, которые не работают».  Вот так люди искали и ищут новые материалы до сих пор, до сегодняшнего дня. Очень трудоемко и очень малопроизводительно, если хотите.

Случайно найденные материалы - например, когда искали фреон для холодильников – нашли тефлон для непригорающих сковородок. Или, например, искали лекарство от стенокардии и повышенного давления - а нашли виагру. Не совсем же промахнулись. Нашли что-то полезное. Но во многих случаях, в большинстве случаях не находят вообще ничего.  Ищут уже много десятков лет материал, который был бы тверже алмаза. Много есть публикаций - то один материал, то другой предлагают в качестве более твердого. Неизменно за этим следуют опровержения. До сих пор такой материал фактически не найден. А может быть, его и нету, может быть, напрасно все эти усилия тратятся. Вот на все эти вопросы - как найти с первой же попытки нужный материал или доказать бесперспективность существования такого материала - на эти вопросы отвечают как раз те методологии, которые мы разработали и продолжаем разрабатывать.

Случайно открытые материалы иногда бывают удивительными. Например, совершенно случайно 100 с небольшим лет назад  было найдено явление сверхпроводимости. Первым сверхпроводником, найденным голландским ученым Камерлинг-Оннесем, была ртуть. Ртуть, охлажденная до 4 градусов Кельвина, не оказывает сопротивления электрическому току. Сопротивление становится равным нулю. И сверхпроводники сейчас - это не курьез лабораторных исследований. Это большая индустрия. Например, магнитно-резонансная томография основана на магнитах, которые получаются при прохождении тока через сверхпроводящую катушку, это самые сильные магнитные поля, которые мы можем получать. Именно благодаря сверхпроводникам. Ускорители, коллайдер и все такое - там тоже действуют магниты на сверхпроводящих катушках. Или поезда на магнитном подвисании. Вот я сам как-то ездил на поезде такого типа, на магнитном подвисании, устойчивая скорость такого поезда 430 км/ч. Вообще-то они бы могли и больше выжимать, если бы чуть-чуть меньше заботились о безопасности пассажиров. Изнашиваемость таких поездов тоже гораздо ниже.

Вот у меня в руках сверхпроводник, сделанный как раз в Москве. В Москве есть замечательная компания, где ребята делают сверхпроводящие ленты. Традиционным недостатком сверхпроводников является то, что они плохо куются, они очень хрупкие. Но вот ребятам удалось сделать ленту, которая прекрасно гнется, мнется, из нее можно делать все что хотите.  И это делается, как ни странно, у нас, в нашем же городе. Такая лента стоит, кажется долларов 500. По коммерческим расценкам. Мне удалось получить ее бесплатно в подарок, чему я до сих пор радуюсь, как ребенок.

К слову о случайно открытых свойствах - еще одно свойство, которое совершенно поражает воображение, - это сплавы с памятью формы. Никто бы даже не подумал, что такое свойство возможно, пока оно не было обнаружено экспериментально. Вы берете этот сплав, вы его деформируете, потом окунаете его в горячую воду. Я не знаю, мой чай еще достаточно горячий или нет? да, достаточно. И он распрямляется. Вот этот кончик у меня распрямился. Вот так работают сплавы с памятью формы. Это тоже используется много где. Например, зубные скобки, сердечные шунты и так далее.

Оптические свойства бывают совершенно поразительные, я принес для вас несколько образцов кристаллов, которые меняют цвет в зависимости от того направления, в котором вы на них смотрите. Один и тот же кристалл в одном направлении будет синим, а в другом - серым. А причина в том, что кристаллическая структура в разных направлениях выглядит по-разному. Структура вообще определяет свойства. Например, графит и алмаз - это ведь одно и то же химическое вещество – углерод, но у них кардинально разные свойства. Один прозрачный, сверхтвердый, другой - черный, проводит электричество, сверхмягкий. Они различаются только потому, что у них различно расположение атомов в структуре. Вот кстати, я принес вам образцы технического алмаза, алмаза, полученного человеком, используемого для создания режущих, полировальных и так далее инструментов.

 

История этих алмазов любопытна. Я тоже их получил в подарок. Но они очень красивы. Я вас приглашаю посмотреть на них после лекции.  Эти алмазы я получил от одного очень талантливого российского химика, который в годы крушения СССР потерял работу и сейчас подрабатывает удивительным образом. Он собирает на помойке использованный алмазный инструмент. Он разработал свою технологию для растворения этого алмазного инструмента. И вот этот отработанный алмазный инструмент - он из него извлекает вот эти крупицы алмазов  и продает их тем, кто производит новый алмазный инструмент. Зарабатывает на этом абсолютные копейки. Талантливый блестящий перспективный химик когда-то был. Это на самом деле история ужасов нашего городка.

Структура определяет свойства. ДНК - ведь механизм наследственности определяется структурой ДНК, этой двойной спирали, которая может расщепляться. Структура белков определяет их поведение в организме. Взаимодействие белков с лекарствами, ферментативные свойства белковых молекул и так далее. И вообще есть некая довольно экстремальная формулировка, сделанная Константином Севериновым, тоже  профессором, вернувшимся из Америки в Россию, который говорит, что основная цель биологии - это предсказание структуры белка. Это несколько экстремальная формулировка, но имеющая право на существование. Между прочим, предсказание структуры белка - это тоже один из новых проектов моей лаборатории.

Но здесь пойдет речь не об этом. Скорее, о предсказании кристаллических структур как ключе, который помогает понять возможности новых материалов. Заканчивающийся 2014-й год - это год, провозглашенный ООН Всемирным годом кристаллографии.  Потому что 100 лет назад люди научились расшифровывать кристаллические структуры, научились понимать, где в веществе расположены атомы. И я считаю, что это один из трех главных прорывов ХХ века. Квантовая теория, теория относительности и расшифровка структуры вещества. Четвертого равного им научного прорыва я найти не могу. Предсказание структуры вещества необходимо для того, чтобы предсказывать новые материалы, что до сих пор считалось невозможным.  Считалось невозможным, потому что разных структур, которые надо было бы перебрать на компьютере, астрономически много. Не хватит жизни Вселенной, чтобы их перебрать. Как выясняется, перебор даже не обязателен. Мы разработали метод, основанный на идеях эволюции, который помогает вам найти оптимальное решение за гораздо более короткий срок.  Ну, в самом деле, если бы природа находила наши ДНК, например, случайным перебором,  то, конечно, на это бы не хватило никакого времени Вселенной. Но природа поступает по-другому. Методом последовательных усовершенствований она находит вот это самое оптимальное или близкое к оптимальному решению за разумное время.

Вот разработали мы с учениками программу, которой пользуются более 2 тысяч человек, уже и компании крупные пользуются этим, сотни публикаций, патенты и так далее. Когда мы начинали этот проект, мы не верили, что это вообще будет работать. Мы решили, что это нужно попробовать, знаете, как долг джентльмена. Попробовать - работает, не работает, посмотреть позже, не сдаваться. Попробовали - как ни странно, оказалось, что это работает. 

Вот сейчас я во второй раз в своей жизни отрабатываю долг джентльмена. Я решил, что нужно вернуться в Россию, получится - не получится, там посмотрим.  Никто не верит, что получится, я даже сам в этом сомневаюсь, но думаю, что на самом деле получится, как и в тот раз, снова получится, все будет хорошо.

Я вам немножко расскажу о том, как работает наш эволюционный метод, о том, как мы нашли новую химию, и немножко о новых материалах. Я очень поверхностно буду об этом говорить, потому что работу нескольких лет за полчаса не рассказать.

Эволюционные алгоритмы. Вообще-то говоря, эти алгоритмы существуют на свете столько же, сколько я, - примерно с 1975-го года. Это не вчера было придумано. И они используются очень широко в разных областях инженерных и научных. Большой силой эволюционных алгоритмов является то, что они учатся у своей же собственной истории. Как это происходит - вот перед нами ландшафт энергии, двумерная его проекция для сплава золото - палладий.  Нужно найти, не зная этого ландшафта заранее, как бы вслепую, точку самой низшей энергии, самую стабильную точку на этом ландшафте.  То есть самую синюю. Синим цветом закодированы низкие энергии, красным цветом закодированы высокие. То есть вам нужно попасть в самую синюю точку вот где-то тут. Мы начинаем с того, что вслепую бросаем дротики. Вы видите вот эти жирные кружки - это то, что мы вслепую опробовали. Мы рассчитываем там энергию, мы понимаем, где энергия выше - где ниже.  Ниже они вот в этой вот области. И в следующей попытке мы направляем больше усилий вот в эту вот область для того, чтобы там искать счастье. И с каждым шагом мы все больше и больше фокусируемся на вот этой наиболее перспективной области пространства поиска.

Как вы видите, некоторые области были нами опробованы лишь слегка, а наиболее перспективная область опробована крайне детально. Таким образом, мы фокусируемся на том, что интересно, и отвергаем то, что неинтересно. Время расчета, таким образом, удается сократить на много порядков величины, в миллиарды раз. Миллиарды миллиардов раз. И то время, которое случайным поиском заняло бы больше жизни Вселенной, на самом деле сводится ко времени вполне конечному, на компьютере это можно сделать за пару дней. За пару дней сегодня мы можем предсказать существование или несуществование нового материала. Это, если хотите, прорыв. Прорыв, в который поверить даже нам было невозможно.

Ну, как мы это делаем в деталях, я, пожалуй, рассказывать не буду. Это я, пожалуй, опущу. Расскажу я вам лучше о новых химических результатах.  Что важно? Важно то, что в этом методе мы не закладываем никаких своих предрассудков, никаких своих знаний, ничего из того, что мы выучили на школьной скамье или университетской, в расчете не участвует. Участвует вот этот эволюционный поиск, который сам определяет по ходу дела, где более перспективные решения, где менее, и перспективность этих решений, то есть устойчивость структур  он оценивает на основе законов квантовой механики. Никаких предрассудков тут нет. И благодаря этому этот расчет может найти те решения, которые нам бы в голову даже не пришли. Даже самому больному воображению в голову бы это не пришло.

Давайте я вам немножко расскажу про то, что было нами найдено. Но перед этим хочу сказать вот что: вообще говоря, правила традиционной химии, те, на которых мы были воспитаны, были сформулированы на основе опытного экспериментального материала, полученного при обычных условиях.  И можно ожидать, что когда вы измените условия, когда вы перейдете к условиям сверхвысоких давлений или температур, сверхсильных магнитных электрических полей, эти правила перестанут работать. И на смену им придут какие-то другие правила, которых у нас нету:  просто они еще не созданы. А старые правила сломаются. Но интересно посмотреть, насколько они сломаются, и давайте посмотрим на условия высоких давлений. Потому что условия высоких давлений - особо важный случай. Большая часть вещества Вселенной существует именно при условиях высоких давлений. Если мы посмотрим на нашу Землю, условия близкие к атмосферному давлению существуют только в тончайшей оболочке возле поверхности. Например, в центре Земли давление почти 4 миллиона атмосфер. И чем глубже вы находитесь в Земле – тем больше давление. Максимум для Земли, в центре Земли это почти 4 млн атмосфер, это колоссальное давление. И можно ожидать, из ряда общих соображений, что в этих условиях химия элементов существенно поменяется. Ну, давайте попробуем на вкус, насколько это будут большие изменения.

Вот было нами, например, найдено, что натрий с давлением 2 млн атмосфер, то есть это половина давления центра Земли, должен перестать быть металлом. Когда мы смотрим на таблицу Менделеева, мы говорим, что натрий, как все элементы слева, - это щелочной металл. Так вот под давлением натрий становится никаким не металлом. Он становится прозрачным диэлектриком. Красноватым, прозрачным, как рубин, если хотите, красноватым, оранжевым такого вот цвета. Это фотография, которая была получена экспериментально. Вначале мы предсказали существование прозрачного натрия, а затем это было экспериментально получено. Экспериментаторы не верили нам, что это возможно. Редакторы журнала не верили нам, что это возможно.  Они заставили нас связаться с экспериментаторами и проверить. Я связался, экспериментаторы тоже не поверили. Но потом наше предсказание было подтверждено, как вы видите на экране. Это крайне любопытное состояние натрия, вот это вот прозрачное. Любопытно оно тем, что электроны сидят не на атомах, и они не размазаны в пространстве, как можно было бы ожидать в металле. Вместо этого они сконцентрированы в пустотах пространства. В кармашках, которые находятся как можно дальше от атомов. То есть электроны решили просто отделиться от атомов. Вот это любопытное, такое, если хотите, экзотическое состояние вещества. В моем американском университете территория украшена плакатами, отмечающими самые важные открытия учеными этого университета. И как-то я гулял по территории университета в задумчивости. Обычно я, когда думаю о чем-то, смотрю вниз. И говорят, произвожу крайне печальное впечатление. Смотрю себе под ноги, и вдруг что-то поднимаю голову - и вижу перед собой плакат, что «ученые нашего университета открыли прозрачную форму элемента натрия». Ну, печаль как рукой сняло. Было очень приятно это видеть.

А сейчас я вам расскажу другую история, связанную с историей прозрачного натрия, это «история сумасшедшей соли», как я ее называю. Вот известная нам соль. Кристаллическая структура каменной соли, которую мы еще в школе видим. А вот это что-то другое.  Давайте еще раз посмотрим на каменную соль, на ее структуру. Вы видите: маленькие положительно заряженные атомы натрия, отрицательно заряженные атомы хлора, + 1 – 1, чередуются один за другим. И баланс зарядов заставляет соотношение атомов быть ровно один к одному. NaCl, как мы и знаем со школьной скамьи. Если вы подсчитаете соотношение чисел атомов натрия и хлора здесь, то вы получите NaCl₇.  А вот это уже никуда не годится c точки зрения школьных правил химии. Но мы же говорили, что они ломаются. Вот эта дама, это была визитерша из Китая в моей лаборатории, которая как раз дала этот проект. Приезжала она ко мне в лабораторию, не зная ничего по теории. За год она очень тяжело работала, очень упорно работала, она освоила в совершенстве наши теоретические методы, она сделала это открытие, ее статья была опубликована в лучшем научном журнале, одном из двух лучших научных журналов, Science. Она вернулась в Китай, из никому не известной девушки стала полным профессором, получила миллион юаней, по покупательной способности это соответствует миллиону долларов, карманных денег. 3 миллиона юаней на создание новых лабораторий, и возле ее кабинета выстроилась длинная очередь из желающих с ней сотрудничать. И про ее биографию китайское национальное телевидение создало фильм. Вот что может сделать одно открытие большой важности. 

Как вы видите, перспектива у тех, кто занимается наукой, есть. Соль, которая известна нам, - это бесцветное вещество, иногда синее, иногда светло-желтое, я чуть позже к этому вернусь. Если вы откроете учебник химии, то, вероятно, уже на первой странице вы узнаете, что атомы натрия и хлора имеют разные свойства, и связь между ними может быть только ионной. Натрий хочет отдать электрон и примет сферическую конфигурацию благородного газа, хлору до этой конфигурации не хватает одного электрона - и он его хочет откуда-то взять, берет у натрия. И приобретает заряд -1. +1 -1 могут сочетаться только в пропорции 1 к 1. Из чего следует, что единственным возможным соединением натрия и хлора будет NaCl. Как мне аудитория подтвердила, как любой школьный учитель химии скажет. За любое нарушение этого, я уверен, ученики получат двойку. Вот слева правильная структура. Заряды подряд  чередующиеся, минус-плюс. Если я замещу минус на плюс, что будет? Все мне скажут: это будет неправильная структура, она будет невозможна. Что значит «невозможна»? Это значит, что энергия выше, чем энергия правильной структуры. То есть она будет энергетически невыгодна на какую-то конечную величину. Конечную.

 

Вы знаете, еще в школьные годы я задумывался над этим: такого рода структуры - насколько они невыгодны? Интересно же понять. И потом, когда вы меняете условия, эта величина невыгодности может либо увеличиться, либо уменьшиться. А если она может уменьшиться, может даже поменять знак, может, это станет выгодным. Вот в этом был вопрос, который мы хотели решить.  Я упомянул, что хлорид натрия бывает в природе светло-желтым или синим. И связано это с тем, что на самом деле в природе существует маленькое отклонение пропорций 1 к 1. Где-то на одну миллиардную число атомов хлора меньше чем число атомов натрия. Вот в таких вот синих или желтых образцах хлорида натрия. Но как вы видите, этого достаточно, чтобы придать  крайне яркий цвет хлориду натрия. Но это маленькие отклонения, я думаю, ими можно на самом-то деле пренебречь. Мы сейчас говорим немножко о другом.

И вот мы провели расчеты - и что же оказалось? Вот фазовая диаграмма. Давайте я вам немножко объясню, как это работает. По оси Х – давление. По оси Y – состав. Жирные линии отвечают устойчивым составам при каждом давлении. При нулевом давлении, атмосферное давление очень близко к 0, у нас, разумеется, NaCl устойчивый. Единственным устойчивым соединением натрия и хлора является действительно NaCl. И структуру расчета дает абсолютно правильную, как прямо в эксперименте.  Но оказывается, что если вы повышаете давление до 200 тысяч атмосфер или 20ти ГПа – возникает NaCl₃. А если вы повышаете давление еще чуть больше, возникает Na₂Cl, Na₃Cl_2, а также NaCl₇.  Все эти вещества являются устойчивыми. Это значит, что если вы их получите и сохраните давление, то это вещество будет устойчиво бесконечно долго времени. И что бы вы с ним ни делали, оно сохранится.

Справа вы видите кристаллическую структуру NaCl_3, и это вещество является металлом. Хотя не очень хорошо проводящим, но все же металлом. Na₃Cl тоже является металлом, но еще более интересным: это двумерный металл. Na₃Cl состоит из бесконечных листов состава NaCl, не проводящих электричество, и состава Na, проводящих электричество, то есть электричество идет только в листах чистого натрия.  Крайне любопытное вещество. Курьезы для теоретиков, это какая-то ошибка теории, какая-то проблема, может быть, в наших расчетах - или это реальность. Мы связались с экспериментаторами, и все наши предсказания были подтверждены экспериментом. Вы видите экспериментальные кривые, которые прекрасно согласуются с нашими предсказаниями.

Экстремальная химия. Давайте подумаем, какой элемент самый инертный в периодической таблице? Какие соображения?

Реплика из зала: Гелий. 

Артем Оганов: Гелий. Все считают, что это гелий. Меньшинство людей считают, что это неон. Но подавляющее большинство людей считает, что это гелий. Кстати, те, что считают, что это неон, оказались правы. Я вам покажу через минуту, что происходит с гелием под давлением. Гелий или неон. Но все-таки большинство считает, что гелий. Гелий - второй по распространенности элемент во Вселенной. Четверть веса Вселенной - это гелий. У гелия уникальные свойства. Гелий не хочет притягивать электроны с других элементов, но и не хочет никому ничего дать. Это знаете, как Россия, нам не нужно чужой земли, но и пяди своей не отдадим, хотя последние события показывают, что первая часть предложения, может быть, не совсем справедлива.

При нормальных условиях у гелия неизвестно ни одного химического соединения - именно благодаря этой его особенности. Он не берет электронов у других, но и другим ничего не дает. Кстати, может быть, поэтому у России нет союзников. Прямая аналогия с гелием. Но под давлением все меняется. Вот уже Китай у нас, Турция. Вот так же и гелий. Под давлением гелий образует устойчивое химическое соединение. Мы обнаружили два таких соединения с крайне неожиданным партнером. Видите, друг познается в беде. Угадайте, с каким элементом гелий бы мог образовать устойчивое соединение?

Реплики из зала.

Артем Оганов: Водород. Фтор. Какие еще предложения? Углерод. Азот. Знаете, мне очень нравятся ваши предложения, и мы пробовали их. Все эти предложения не работают. А работает совершенно неожиданный элемент. Надо сказать, эта идея принадлежит не мне, а моему студенту, который оказался очень упертым и опробовал практически всю таблицу Менделеева. Я его просил: остановись, не получится. А он дошел до победного конца. Натрий! Под давлением образуется исключительно устойчивое соединение Na₂He. Структура Na₂He соответствует трехмерным шахматам. Вы видите - куб заполненный, куб пустой, куб заполненный, куб пустой. Вот такие трехмерные шахматы. Кстати интересно было бы сыграть в партию трехмерных шахмат. Как думаете? Вот в этих трехмерных шахматах пустой куб оказался не совсем пустым. Помните, в прозрачном натрии в пустом месте сидел электрон, на самом деле электронная пара, так вот здесь тоже. В пустом кубе сидит совершенно комфортно электронная пара. Это тоже, так же, как и прозрачный натрий, прозрачное вещество, это не металл. И это вещество обладает колоссальным диапазоном стабильности. От 120 ГПа, примерно от 1 млн. атмосфер до как минимум 10 млн. атмосфер диапазон устойчивости этого вещества. Опять-таки это наше лишь предсказание, это наша фантазия или это реальность? Экспериментаторы синтезировали это вещество и подтвердили корректность наших предсказаний. Оказалось, опять же я должен дать тут лавры изобретателя своему блестящему китайскому студенту Шао Донгу, который додумался, как это вещество стабилизировать. Стабилизировать его можно при гораздо более низких давлениях, введя туда кислород. И возникает соединение Na₂HeО. Вот Na₂HeО устойчив не при миллионе атмосфер, а всего лишь при 1/6 миллиона атмосфер. При 0,15 миллиона атмосфер, 150 000 атмосфер. И мне кажется, вот это уже может быть интересно с самых разных точек зрения. Может быть, даже с точки зрения хранения гелия. Кто знает, может быть, это вещество найдет применение. Вообще, я верю в то, что вот эта экстремальная химия найдет применение. Я верю в это настолько, что даже запатентовал несколько материалов из этой экстремальной химии.

Год назад было исключительно интересное предсказание одного китайского ученого, что под  давлением будут образовываться новые фториды цезия. Опять-таки, школьная химия говорит нам, что только CsF возможен, оказывается, под давлением возможен CsF₅, - говорит китайский ученый Мяо. И в этом веществе, CsF₅, цезий пятивалентный. Опять же в нарушение всех правил химии. Очень интересно. К сожалению, работа Мяо оказалась практически целиком неправильной. Единственным правильным выводом в этой работе оказалось то, что существует CsF₅ с пятивалентным цезием. Все остальное оказалось неправильным. Когда мы взялись за эту работу, оказалась совсем другая картинка, еще более интересная. Пятивалентный цезий - это правда. Но правда то, что CsF₅ будет устойчивым уже при атмосферном давлении, CsF₃ и CsF₂, неожиданные с точки зрения химии вещества, должны быть устойчивы уже при обычных условиях. Вот, например, CsF₅ - при обычных условиях возникают ионы F₅ с зарядом -1. Крайне любопытно. И вот это вещество можно использовать для хранения фтора.

Вообще говоря, хранение фтора - это техническая проблема, которая не была до сих пор решена. Фтор - это газ, газ в газовых баллонах хранить очень неэффективно. 22 литра фтора - это будет вес 36 граммов. Это ничто. Очень малая емкость. Разжиженный газ можно больше хранить, но ненамного. И потом фтор крайне токсичен, если этот баллон у вас взорвется, умрут все. Более того, фтор крайне химически активен, он может разъесть очень многие материалы, в том числе материалы вашего газового баллона. Так что здесь много больших проблем, связанных с безопасностью и много с чем еще.  Вот в этих материалах хранить фтор безопасно и легко. В такого рода материалах вы можете хранить примерно на 2 порядка больше фтора, чем  в газовом баллоне. По-моему, это здорово. И все, что вам требуется, - это взять вот такой материал и слегка его нагреть. При температурах порядка комнатной эти материалы будут разлагаться с выделением большого количества фтора. То есть все, что вам нужно, - это в охлажденном виде его транспортировать, а потом чуть-чуть его подогреть - и фтор сам собой выделится. Вот эти материалы мы запатентовали.

Как насчет соединений водорода и кислорода, как вы думаете, какая химическая формула у соединений водорода и кислорода?  H₂O. Если вы пороетесь в литературе, выяснится, что при слегка повышенном давлении, ну совсем слегка, там какие-нибудь 10 атмосфер, будут возникать газовые гидраты. То есть формы льда, в пустотах которых будет сидеть молекула водорода. И водорода там будет больше, значительно больше, чем в воде или льде. Мы выяснили, что существует предельный состав, при давлениях порядка 400 тысяч атмосфер, предельный состав H₆O. То есть две молекулы водорода на одну молекулу воды. H₆O - такая химическая формула будет у вещества, предсказанного нами. Если бы было возможно это вещество синтезировать и хранить при нормальных давлениях, то это была бы энергетическая революция. 18% легко отделяемого водорода, это было бы колоссально, машины бы с радостью ездили на таком топливе. Это было бы лучше, чем бензин. Но пока непонятно, можно ли (а если можно, то как) стабилизировать это вещество при обычных давлениях.  Мне ничего в голову не приходит. Но если кому-то придет, то этот человек станет очень и очень богатым. Это можно гарантировать.

Итак, запрещенная химия. NaCl_3,, Na₃Cl, Na₃Cl_2,, CsF₅, CsF₃, CsF₂. Голова немножко кругом идет. Давайте немножко подведем итоги.  «Натрий-хлор» - система, она не может быть исключением. В этой системе нет на самом деле никакой необычной химии. Это самые обычные химические элементы. Ладно, натрий становится прозрачным. Но на самом деле NaCl-соединения возникают не совсем поэтому. Я верю, что если система «натрий-хлор» дает такие необычные неожиданные соединения, то такие же необычные соединения можно будет ожидать практически между любыми химическими элементами. Мы проверили эту гипотезу. И оказалось, что это действительно так. Мы посмотрели на систему «магний-кислород», в норме должен быть только MgO, но под давлением возникает Mg₃O₂ и MgO₂. «Кремний-кислород» - в норме это SiO₂, а возникает SiO- устойчивое соединение и SiO₃ - устойчивое соединение. У оксида алюминия возникают Al₄O₇ и AlO₂. Это все плохо соответствует нашей интуиции, это выходит за рамки нашей интуиции.  И в некоторых системах возникает такой пир фантазии. Например «хром-водород». Возникает Cr₂H₃,  Cr₂H₅ - такое ощущение, что почти любые комбинации становятся устойчивыми. Для системы «калий-хлор» возникает вообще десятка два разных новых материалов. Тут вам и K₅Cl₄, и K₄Cl₃, и K₃Cl₂ и K₃Cl₅ - запутаться можно, я даже не в состоянии это все помнить. Вы видите, что фазовая диаграмма становится крайне сложной.

 Но, пожалуй, самый интересный и самый сложный результат был получен нами для системы «азот-водород». Система «азот-водород» интересна с двух точек зрения. Ну, во-первых, из этих элементов состоят планеты-гиганты, такие как Уран и Нептун. Уран и Нептун - это, вообще говоря, система «углерод-кислород-азот-водород». То есть это «азот-водород» является планетообразующей подсистемой. И интерес к системе «азот-водород» вызван изучением планет, а также взрывчатыми веществами. Потому что уже были синтезированы такие соединения, а под давлением можно синтезировать еще более интересные соединения азота и водорода, они обладают огромной энергоемкостью и способностью к детонации. Мы посмотрели на систему «азот-водород», и оказалось, что ее поведение под давлением крайне сложное и крайне интересное.

Тут вы видите фазовую диаграмму необыкновенной сложности. Я не знаю, сколько тут десятков фаз возникает, и некоторые из них имеют очень узкий диапазон устойчивости, а некоторые имеют колоссальный диапазон устойчивости. Известное всем соединение NH₃ – аммиак - под  высоким давлением вообще исчезает, диссоциирует на другие соединения. Предсказать это все крайне сложно. Но самое интересное, что под давлением возникает не просто много разных соединений, а очень разнообразная химия. Возникают полимеры, возникают циклические соединения, возникают слои азота с включенными туда молекулами. Крайне любопытная и крайне разнообразная химия. Химия, которая по своему разнообразию превосходит разнообразие системы «углерод-водород» - углеводороды, которые являются основой органической химии, основой жизни. Собственно, жизнь возможна только благодаря тому, что химия углеводородов такая разнообразная. Так вот, химия азотоводородов еще более разнообразная. На порядок более разнообразная, чем химия углеводородов.

 

Можно задаться вопросом, а не приведет ли это к существованию под давлением какой-то азотистой жизни. Ну, правда, интересно же. Представляете себе, если в недрах Нептуна или Урана, где царят высокие давления, была бы какая-то другая экзотическая форма, основанная  не на углеводородах, а на азотоводородах. Даже представить себе такую жизнь сложно. Возможно это или нет, мы не знаем. Сомнения у меня в этом возникают только по одной причине: очень высокие температуры. При очень высоких температурах существование метастабильных состояний, которые тоже очень важны для жизни, для хранения энергии, резко ограничены, они могут существовать только очень короткий промежуток времени. Если бы температура планет-гигантов была ниже, там, где давления высокие, то существование азотистой жизни было бы, может, даже и неизбежно. Кто знает, может быть, во Вселенной такие области пространства существуют. Сколько у меня времени?

Борис Долгин: Есть еще

Артем Оганов: Я вам рассказал об экзотической химии, экстремальной химии, появляющейся при экстремальных давлениях. Но на самом деле экстремальная химия и экстремальные условия возникают даже при гораздо более привычных для нас условиях. На поверхности вещества. Почему? Потому что представьте себе - вот у вас бесконечный кристалл. Как можно визуализировать образование поверхности - вот у вас бесконечный кристалл, у него нет поверхности, - и вы его разрываете на две половинки. Для того чтобы вам это сделать, вам нужно разорвать связи, много связей. У атомов, которые на поверхности, примерно половина связей оборвана. Как человек, у которого оторвали одну руку, одну ногу. Этот человек будет находиться в крайне экстремальной ситуации. Он будет как-то пытаться компенсировать эту потерю. Так же и атомы на поверхности вещества, на поверхности твердых тел атомы будут пытаться как-то компенсировать вот эти потерянные связи - либо образованием новых связей, либо образованием каких-то странных химических соединений, поверхностных химических соединений.  И оказывается, что поверхность имеет крайне любопытную химию. Вообще, химический состав поверхности вещества отличается от химического состава самого вещества. Например, у вас вещество SiO₂, поверхность может быть, например состава SiO₃. И химия поверхности мало изучена. А влияет она очень на многое.

Ну, например, почему никель раздражает кожу. Вот железо не раздражает. Вы можете носить железный браслет без проблем. А его близкий сосед никель, ну, казалось бы, свойства почти одни и те же, а никель раздражает кожу - почему? Или, например, тонкая кварцевая пыль, если вы живете в пустыне, попадая в легкие, вызывает рак легких. Почему? Знаете ли вы, что много американских солдат, посланных в Ирак, заработали себе рак легких.? Кстати, солдаты, посланные во Вьетнам, заработали себе рак крови.  Потому что разбрасывали Agent Orange, метилоранж для того, чтобы выжигать вьетнамские джунгли, чтобы партизаны не могли прятаться в джунглях. Так вот, потом выяснилось (хотя, я думаю, знали и до того), что метилоранж вызывает рак крови, лейкемию. И очень многие ветераны вьетнамской войны, вернувшись домой, обнаружили, что  у них рак крови. А позже они обнаружили, что американскому правительству плевать на ветеранов. И что их туда послали умирать. А когда они приехали, об их лечении никто не заботится.  Я сам знаю таких ветеранов. В общем, это еще одна трагическая история.

Российскую трагическую историю я вам рассказал, страшилку про алмаз, а сейчас я вам рассказал страшилку про американскую жизнь. Так вот. В наши времена солдаты, которые возвращаются из Ирака, у них очень часто обнаруживают рак легких. Почему? Вообще, медики считают, что рак связан во многих, если не во всех случаях с окислительным стрессом. То есть откуда-то берутся  активные формы кислорода, такие как пероксид, перекись водорода, если хотите. И они атакуют клетку. Возникает каскад окислительных реакций, который, в конце концов, докатывается до ДНК. Вот это вот окисление, химическое изменение ДНК приводит к мутации. И в результате мутации клетка начинает неконтролируемо размножаться, она становится бессмертной, она перестает выполнять свои функции - то, что мы называем раковая клетка. Раковая клетка возникает в результате химического видоизменения ДНК.  Не механического. Многие люди считают, что песок попадает в легкие, он там поскребывает об легкие, вызывается раздражение. Нет. Так рак никогда не возникнет. Так можно заработать себе рану какую-то, травму, но рака так не будет никогда. Рак - это химический процесс. Так вот позвольте вам дать такой вопрос: кварц - это же химически исключительно инертное вещество, оно  вообще ни с чем не реагирует. Ну, например, растворить кварц под силу только плавиковой кислоте, которой у нас в легких, к счастью, нет. Ни с чем он не взаимодействует вообще.  Как он может взаимодействовать с нашими клетками, окисляя их и приводя к раку? Интересно, правда? Я думаю, что ключ находится на поверхности кварца. И, кстати, медики, которые исследуют это явление, тоже так считают. Вообще нужно было начать с другой последовательности. Это они так считают. А я с ними согласен. Но почему так происходит, мы пока что еще не знаем. Но есть кое-какие соображения. Я вам сейчас расскажу о них.

Но прежде скажу о другом. Вот была недавно интересная работа. Я вообще-то ненавижу развенчивать чужие работы, но иногда приходится.  Была недавно красивая работа, в которой швейцарские ученые показали, что на поверхности бора (а бор это полупроводниковый материал, кстати, у меня с собой есть образцы бора) будет возникать металлическое состояние. То есть сам бор - полупроводник, а его поверхность - металл. Такие вещества вообще-то известны, называются они топологические изоляторы. Это новая революция, в продолжение графеновой революции. За нее, скорее всего, дадут Нобелевскую премию – китайцам, кстати. Графен - это русское изобретение, а топологический изолятор - это китайское изобретение.  И возникают топологические изоляторы благодаря эффектам, связанным с теорией относительности. Интересно как - релятивистские эффекты в строении вещества! Бор - легкий элемент, в котором релятивистских эффектов не может быть. Но, тем не менее, есть механизм, при котором поверхность бора тоже могла бы быть металлической. Это было бы крайне любопытно. Мы провели расчет, но, к сожалению, оказалась она совсем не металлическая, а тоже полупроводниковая, гораздо более устойчивая поверхность существует. То есть иногда интересные работы оказываются не совсем правильными.

Но зато нам удалось для бора найти кое-что другое. Уже издавна люди пытаются соорудить двумерные материалы. Графен - это двумерный материал, в котором электроны распространяются со скоростями, сопоставимыми со скоростью света, и ведут себя, как если бы у них не было массы.  Вот это то, что делает графен таким интересным. Электроны ведут себя, как будто нет массы, и двигаются с бешеными скоростями. Люди пытаются создать новые двумерные материалы, которые были бы, может быть, более интересными для приложения, чем графен. Пытались создавать разные, на компьютере и в лаборатории, разные двумерные формы бора. До недавнего времени считалось, что вот эта вот форма, с такими шестиугольными дырочками, так называемый альфа-лист, абсолютно плоский альфа-лист, что эти формы являются наиболее устойчивыми.

Нам удалось показать, что есть гораздо более устойчивые формы. И одна из них имеет электронную структуру, подобную графену.  Там тоже электроны распространяются, как если бы у них не было массы, и тоже со скоростями, сопоставимыми со скоростью света. Но эта форма может быть более интересной, чем графен, - если ее, конечно, можно получить. Дело в том, что в графене электроны распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях в плоскости листа. В нашей форме бора в разных направлениях скорость разная. В каких-то направлениях она больше, чем в графене, а в каких-то -ниже, чем в графене. То есть  возникает новая степень свободы, которой можно тут управлять. Но у бора есть один недостаток, достаточно существенный, бор очень реакционноспособен. Поэтому как зафиксировать этот лист, как предотвращать, чтобы он реагировал со всем подряд, это не просто. Тем не менее, ученым из Чикаго удалось получить двумерный бор на поверхности серебра, и этот двумерный бор действительно обладает электронной структурой и атомной структурой в согласии с нашим предсказанием.

Вернемся же теперь к кварцу и раку легких. Оказывается, что на поверхности многих оксидных кристаллов, это мы видим из наших расчетов, возникает пероксид-ион. А пероксид-ион как раз является в химии сильнейшим окислителем. Пероксид-ион - это то, что приводит к мутациям.  Пероксид-ион - это то, что организм выделяет для того, чтобы убить клетки. Например, антибиотики стреляют по бактериям пероксидом. Например, когда у ящерицы хвост отпадает - как он отпадает? В перешейке хвоста выделятся пероксид-ион, который убивает клетки. И вот так этот перешеек истончается, и хвост опадает. Пероксид - это естественный биологический убийца. Так вот, на поверхности кристаллов кварца существуют пероксид-ионы. У тонкой пыли эффективная площадь поверхности очень велика, поэтому соприкосновение наших клеток с пероксидами очень велико. Не у всякого оксидного кристалла будут пероксид-ионы. Например, диоксид титана, кстати, очень известный катализатор, - там никаких пероксидов нет, и действительно, когда люди вдыхают диоксид титана, никакого рака не возникает. Казалось бы, диоксид титана - шикарный катализатор,  мог бы много каких интересных реакций накатализировать в наших легких, но пероксид-иона там нет, и рака там не возникает. Кварц - никакой катализатор, нулевой, но там есть пероксиды, и он приводит к возникновению рака легких.

Я сейчас уже буду заканчивать. Просто хотел вам показать еще пару вещей, просто пару идей. Выясняется, что не только при экстремальных условиях существуют неожиданные соединения, неожиданные соединения имеются при нормальных условиях и даже в тех системах, которые казалось бы, изучены очень хорошо. Например, система «марганец-бор» изучалась уже лет 50, наверное, особенно в Советском Союзе такого рода системы очень любили, химики до дыр изучили эти системы. Почему? Потому что это вещества, которые очень твердые, обладают высокой электропроводностью и часто повышенной трещиностойкостью. То есть для разного рода механических, конструкционных приложений, электронных приложений, эти вещества могут быть очень и очень интересными.

Мы провели расчет системы «марганец-бор». С помощью нашего метода вы можете задать просто название химических элементов, марганец и бор, и в одном расчете вы поймаете все устойчивые их соединения. Совсем недавно казалось, что это невозможно будет сделать. Сейчас на компьютере мы можем делать такие предсказания. И вот для системы «марганец-бор» мы нашли все те составы, которые знал эксперимент, плюс один -  MnB₃. Это вещество, которое никогда никто экспериментально не видел, за все 50 лет изучения этой системы, может быть, даже больше чем 50. Мы его предсказали. Существует это соединение в реальности, или нет? Почему, если оно существует, экспериментаторы его пропустили? Вслед за нашим предсказанием экспериментаторы попытались его синтезировать.  Синтезировали крайне наивным путем - одну долю марганца, три доли бора смешали, расплавили, охладили. Провели анализ, действительно MnB₃, действительно в структуре, которую мы предсказали. Почему это соединение было пропущено экспериментаторами? Я не знаю. Но совершенно понятно - и  не только в этой системе, а во многих других, почти что в любой системе вот такого тугоплавкого характера, к которой мы прикасаемся, мы находим неожиданные соединения, которых почему-то экспериментаторы раньше не видели. Потом экспериментаторы изучают чуть более подробно - и они эти соединения находят. Я думаю, что в привычных для нас системах  прячутся сотни, а может быть, даже тысячи соединений, которые были пропущены.

 

Ну, собственно, основная содержательная часть моей лекции подошла к концу, просто я хотел вам сказать, что в моих лабораториях в США, в Китае и в России мы изучаем не только новые химии, но и охотимся за новыми материалами. Интересный проект - это создание новых сильных магнитов, тут у нас уже есть кое-какие успехи. Дизайн новых лекарств, лекарственных препаратов - это тоже интересная тема, которой мы занимаемся. Новые полимеры, нами в сотрудничестве с учеными из Коннектикута было предсказано два новых полимера со сверхвысокими диэлектрическими постоянными для разных электронных приложений.  И эти материалы были получены экспериментально на основе наших предсказаний. А самый последний наш проект, который у нас только начался, он еще пилотный, - это предсказание структуры белков. Пока еще трудно сказать, как далеко мы уйдем в этом, но если повезет, может быть, нам удастся решить эту интересную задачу.

И еще я вам хотел сказать, вы знаете, одной из причин моего возвращения в Россию стало то, что, создав здесь лабораторию, я понял, что здесь есть удивительно талантливые люди. Вот действительно, у нас много сказок рассказывают, что там страна-богоносец и все такое, я не знаю, насколько это все правда, но то, что в России удивительные талантливые люди живут, - это правда.  Один из моих студентов, четверокурсник МФТИ, смог решить задачу, которую никто не мог решить на протяжении 30 лет. Эта задача электронной структуры квазикристаллов, нового состояния вещества, которое было открыто 30 лет назад израильскими учеными, и до сих пор никому не удалось создать теорию электронной структуры квазикристаллов. Ну, вот нашему студенту-четверокурснику это удалось. Вот такие вот талантливые ребята здесь водятся. Причем это не моя работа, я в этой работе не участвовал никак, я в данном случае осуществлял только моральную поддержку.

Вот, собственно, и все. Я хотел поблагодарить тех талантливых ребят, с которыми меня свела судьба. Мою американскую лабораторию, которая, впрочем, преимущественно китайская, с небольшой примесью Персии и России. Тут есть иранский сотрудник и российский сотрудник, все остальные китайцы. Удивительно талантливый народ китайцы, кстати, обожаю Китай. А вот моя российская лаборатория, как вы видите, которая тоже не совсем российская, тут есть и китайцы. Ну, кстати, тут не весь состав лаборатории, в лаборатории где-то 20 человек, из которых 4 китайца, 1 итальянец, 2 украинцев, все остальные россияне. На этом фото мы сфотографированы со стажерами из разных стран мира, в основном китайцами. И с моими дочерьми, которые помогают мне работать. Ну, собственно, все, спасибо.

ОБСУЖДЕНИЕ

Борис Долгин: Спасибо большое. Сейчас будет часть, где можно будет задавать вопросы. Но только, напоминаю еще раз, с помощью микрофона, подняв руку. Но я позволю себе сначала маленький вопрос. Ну, такое уточнение. Я правильно понимаю - от догм химии мы как бы отказываемся, не то чтобы отказываемся, но оставляем их для нормальных условий и прочего, но догмы квантовой физики мы оставляем чем-то таким как раз аксиоматическим, на чем дальше все строится. То есть это не зачеркивание вообще всего предыдущего, это как раз опора - просто на чуть другой набор аксиом.

Артем Оганов: Да. Совершенно верно. Дело в том, что у квантовой механики законы, законы нерушимые. У химии - правила. Правила нарушать можно. Я лично очень люблю нарушать правила. Ну, я думаю, из этой лекции вы почувствовали это. Нарушать правила - это святая обязанность мыслящего человека. Нарушать законы нельзя. Но на самом деле скажу, что основной закон химии - периодический закон. Вообще-то говоря, не приходило ли вам в голову, что, наверное, самым удачливым ученым в истории был Менделеев? Потому что он совершил открытие, которое по определению всегда будет самым великим в химии. Я не думаю, что возможно сделать более великое открытие, чем открытие периодического закона. Потому что это просто основа. Другой основы не будет. Так вот, периодический закон на самом деле тоже нарушается под давлением. То есть можно сказать с уверенностью, что все законы химии могут быть нарушены.

Законы физики  - нет. Законы физики - это фундамент, это основа. Насчет периодического закона поясню, в каком именно контексте он нарушается. Когда вы создаете сверхвысокие давления (но речь идет о давлениях действительно очень высоких, порядка 10 млн. атмосфер, а может быть, даже и больше), то все элементы начинают себя вести согласно модели свободных электронов. То есть они все начинают себя вести более или менее одинаково.  Эта вся периодическая зависимость атомных свойств полностью выхолащивается, полностью сглаживается. Это, конечно, исчезновение периодического закона. В каком-то смысле вы можете сказать, что периодический закон начинает уже давать трещину там, где появляется прозрачный натрий. Это уже никакой не щелочной металл. Могу вам дать еще пример - под давлением такие элементы, как калий или кальций, становятся переходными металлами, s-электрон переходит на d-орбиталь. Возникают существенно новые химические свойства. Но все-таки полноценные нарушения периодического закона возникают не тогда, там все еще периодический закон выдерживается в значительной степени. А полноценное нарушение периодического закона возникает при давлениях больше 10 млн. атмосфер, когда возникает свободные электроны.

Борис Долгин: Спасибо. Да

Вопрос из зала: Я, слушая вас, вспомнил, как я ходил на опыты Кио, смотрел и не верил. Спасибо. Вопрос первый…

Борис Долгин: Прошу прощения. Здесь есть большая принципиальная разница. Наш сегодняшний лектор внятно объясняет, как и что делается, в той степени, в которой это необходимо для данного уровня, я думаю, будет готов и объясняет в статьях на более глубоком уровне, так что  никаких фокусов, наука.

Вопрос из зала: Я о впечатлении. Только лишь о впечатлении. Работали ли вы при давлении и высокой температуре, при комбинации этих двух экстремальных факторов?

Артем Оганов: Да. Конечно.

Вопрос из зала: Меня поразило неожиданно то, что могут быть изменены свойства на поверхности вещества, вот в связи с этим вопрос: целесообразно ли это будет использовать в сверхэкстремальных условиях - это полеты космических кораблей, в дюзах, где температуры, давление, где поверхность, материал может неожиданно дать какую-то там трещину, скажем так? Спасибо.

 

Артем Оганов: Да. Я думаю, что это направление исследований, физика и химия поверхностей, имеет колоссальное будущее. И должен сказать сразу, что ни в коем случае не являюсь его первооткрывателем. Если в области предсказания структур, можно сказать, что я и мои студенты  являемся в значительной степени основоположниками (хотя опять же, до нас работы были, но революционизировать эту область удалось именно работами нашей группы и еще там 2-3-х групп),  то химия поверхностей, конечно, развивалась уже давно. Она развивалась тогда, когда я, наверное, еще в 1-й класс не пошел. Но химию поверхностей исследовать очень тяжело экспериментальными методами, а полноценных теоретических методов до сих пор на самом-то деле не было. Мы создали метод, который действительно очень-очень мощный и помогает практически автоматически исследовать поверхность и ее химию. Это большой шаг вперед. Но, конечно, надо понимать, что было много сделано до нас и еще до нас было известно, что химический состав поверхности и структура поверхности могут кардинально отличаться от структуры и состава кристалла. Но прогресс тут очень ограничен именно благодаря тому, что исследовать очень тяжело. То есть до сих исследуются поверхности самых простых материалов, исследуются с большими белыми пятнами, полной картины часто нет. Ну, с привлечением таких мощных теоретических методов, которые я упомянул, я думаю, что можно более полно и более детально охарактеризовать поверхностную химию. Я думаю, сейчас прогресс в этой области будет гораздо более быстрый.

Борис Долгин: Так.

Артем Оганов: Да! - по поводу фокусов, вы знаете, я тоже хочу сказать. Я вообще-то очень уважаю фокусы, это китайцы меня перевоспитали. Теперь я сам, когда ко мне приходят гости, очень люблю показывать фокусы. И вот могу вам рассказать историю. Как-то в Америке я не вожу машину. Я, кажется, единственный человек, живущий, живший уже в Америке и не водящий машину.   И вот сижу я в такси. А таксисты у нас на Лонг-Айленде - очень невежественные люди, дремучие, как сосновый бор, не образованные вообще, я не знаю, умеют ли они читать или писать, но знаний там очень мало. И очень суеверные. Ну, все при них. И вот сижу я в такси и репетирую фокус. Делать все равно нечего, репетирую фокус. Оборачивается ко мне таксист, спрашивает: что ты там делаешь? Я говорю: а можешь ты глазами подвигать вот этот предмет? Говорит: давай попробую. Не получается. Говорю: а вот смотри, у меня получается. Остановил машину, говорит: подожди, как ты это делаешь, расскажи? Я говорю: да все просто, я святой божий пророк. Таксист поворачивается ко мне и обрушивается на колени. И я понял в этот момент, что вообще говоря, если мне как-то будет скучно, то я в Америке смогу стать основателем новой религии. Это очень легко. «Свидетели таксопарка», или как-то еще можно назвать эту религию. Но в тот момент мне стало очень неловко перед этим таксистом, я ему сказал: поднимись с колен, я тебе объясню. Я ему объяснил, как этот фокус работает. И таксист начал хохотать. Но пока он хохотал, я наблюдал за его руками - они все еще дергались от ужаса. Да, это к слову о фокусах.

Борис Долгин: Да. Так.

Вопрос из зала: Вопрос школьного двоечника по химии, правда, с наградами химфака по олимпиаде по химии. Йодистый азот - это из той же серии, да? Но на самом деле серьезный вопрос, а почему бы, так на мой дилетантский взгляд, ваш метод не применить для поиска каких-то нестандартных форм жизни, почему для жизни отказывают в том, что вы сделали для химии? Поговорите с Севериновым, может быть получится. И при 500 градусах, и при всяких давлениях, в центре Земли там. Спасибо большое.

Артем Оганов: Спасибо. Вы знаете, это очень интересная идея. Вообще, моя область интересов как-то сейчас сдвигается потихонечку в область биохимии. Потому что это действительно очень интересно. Ну, и потом полезно. Вообще я считаю, что мы странники по жизни, и наш жизненный опыт, и время, которое проходит, должны нас менять - менять, конечно, в лучшую сторону. Биохимией я заинтересовался - знаете когда? Несколько лет назад у меня возникли большие проблемы с желудком. И я понял, что мне нужно лучше понять биохимию,  чтобы сохранить здоровье и молодость. Я понял, что я начинаю стареть - если раньше я мог 15 км пробежать без одышки, то сейчас я бегу пару километров - одышка какая-то, некомфортно себя чувствую, нет, думаю, надо что-то с этим делать. Я думаю, надо изучить биохимию, надо понять, как эта вся машина работает, чтобы, может быть, помочь самому себе. Но, кстати, мне это удалось. Но когда вы начинаете чем-то интересоваться, это начинает постепенно заходить в область ваших жизненных и профессиональных интересов. Вот сейчас у меня вполне успешный проект по дизайну новых лекарств, сейчас потихонечку на белки переходим. Я все еще учусь. Я, конечно, никакой не биохимик пока что. Но там посмотрим. Может быть, и получится.

Борис Долгин: Да, возможность поговорить с Константином Севериновым, я так понимаю, была в последние дни?

Артем Оганов: Конечно.

Борис Долгин: Так что тут нет проблем со знакомствами, я думаю.

Артем Оганов: Да. Мы давно знакомы.

Вопрос из зала: Добрый вечер. Вот у меня два вопроса. Первое: правильно ли я понимаю, что ваш метод - это просто особый метод поиска минимума энергии и, соответственно, устойчивых соединений, которые возможны? И второе - не могли бы вы более подробно рассказать про особенности физико-химического анализа при экстремальных условиях? Вот, например, у вас на слайдах, посвященных системе «натрий-хлор», были приведены, я так понимаю, порошковые дифрактограммы, для того, чтобы фазы различить. Расскажите, как они были получены, и вот обо всем таком. Спасибо.

Артем Оганов: Да. С удовольствием. Вы абсолютно правильно поняли: наш метод - это метод глобальной оптимизации, это метод поиска состояний с наименьшей энергией - с наибольшей устойчивостью. Так что на первый вопрос ответ - да. Второй вопрос: как изучают вещество при высоких давлениях. Существует несколько разных методов. Метод, которым были изучены те вещества, которые я показал, - это метод статического сжатия в алмазных наковальнях. Что из себя представляет этот метод? Берут два алмаза, ограненных, высокого качества, в форме пирамиды, со сточенным концом, то есть  кончик - это плоскость. Плоскость довольно маленького размера, диаметр, скажем, 100 микрон в поперечнике. Берут два таких алмаза и вот между этими вершинками сточенными, направленными друг на друга, металлическая прокладка с дырочкой, дырочка того же диаметра примерно, сколько-то десятков микрон, а в эту дырочку помещают образец.

То есть, понимаете, это вообще ювелирная работа. Я считаю, что тех людей, которые делают эти эксперименты под высоким давлением, надо показывать в цирке.  Потому что как можно рукой - у человека рука может дрогнуть, как можно глазами увидеть эти считанные микроны?! Я понимаю, они под микроскопом это делают, но это фантастическая точность движения руки и координация движений. Вот эти люди это умеют делать. Они под микроскопом кладут вот этот микронный образец, а микронный образец вы можете дыханием сдуть, вы его потом никогда не найдете. Они этот микронный образец погружают в микронную дырочку в металлической прокладке, закрывают это двумя алмазами. Это все в такой установке, которая потом затягивается винтами, винтами эти алмазы сдавливаются ближе и ближе друг к другу.  Как вы помните, давление - это сила, поделенная на площадь. Сила – ну, рукой какую силу вы делаете? ну 20, ньютон, 30 ньютон, что-то в этом роде. Поделенная на площадь, что-то типа 100 микрон в квадрате. Возникает колоссальное давление.

 

Таким вот простым нехитрым способом людям удавалось создавать давление до примерно 4 млн. атмосфер. То есть вот таким вот нехитрым путем можно покрыть все давления внутри Земли, вплоть до центра Земли. Но надо сказать, что очень часто алмазы ломаются. То есть это дорогостоящие эксперименты. Вот японцам несколько лет назад удалось достигнуть 4 млн. атмосфер. Когда я спросил этих людей, сколько алмазов они поломали, прежде чем эксперимент оказался успешным, они на меня посмотрели и сказали: извини, это секретные данные, много. Видимо, там счет был на сотни, потому что они несколько лет готовили этот эксперимент. В чем удобство такого рода экспериментов? Удобство в том, что алмаз является прозрачным веществом, прозрачным в очень широком диапазоне электромагнитных волн. Прозрачен для рентгена, поэтому вы можете снимать дифрактограмму, прозрачен для видимого излучения, поэтому вы можете в микроскоп смотреть на это вещество и видеть его. Помните, я показывал прозрачный натрий? Так это фотография в микроскоп через алмазную наковальню. То есть алмаз прозрачен, и натрий прозрачен. А если бы натрий был не прозрачен, то вы бы увидели отражающий белый металл, как при обычных условиях.

Борис Долгин: Спасибо. Так

Вопрос из зала: Здравствуйте. Я понимаю, что большая температура имеет много градаций, 10 млн. атмосфер, может быть, даже выше, а при сверхнизких температурах что-то делается, либо 0 - и все уже изучено?

Артем Оганов: При сверхнизких температурах возникает множество интереснейших квантовых явлений. Конденсация  Бозе-Эйнштейна и все в этом духе. Я этим не занимаюсь, сверхтекучестью, это достаточно далеко от моей области, но это очень интересно. За это было дано сколько-то Нобелевских премий. И многие группы по всему миру активно этим занимаются. Вообще-то наши расчеты делаются очень часто при 0 Кельвина, но в пренебрежении вот этими вот эффектами. Но эти эффекты достаточно тонкие, достаточно слабые, и для наших целей ими пренебречь можно. В каких-то случаях нужно учесть температуру, в таких случаях мы это делаем и учитываем. Вообще-то говоря, нулевую температуру учесть проще, чем ненулевую.

Борис Долгин: Так. Спасибо. Еще

Вопрос из зала: Вопрос из школьной химии. Школьная химия занимается отдельными молекулами, вы же пишете кристалл. Поэтому насколько корректно говорить о формуле кристалла, то есть любой металлический сплав не имеет химической формулы? 

Артем Оганов: Школьная химия, конечно, кристаллами тоже занимается, структуру натрий-хлора в учебнике пятого класса вы увидите. А что касается металлических сплавов - да, это абсолютно верно, но металлические сплавы имеют конкретные составы, есть стехиометрические металлические сплавы.

Вопрос из зала: Они не имеют химической формулы - в плане, что из школьной химии вы не напишете то, что они…

Артем Оганов: Химическую формулу они, конечно, имеют, но то, что эту химическую формулу очень трудно каким-то образом предсказать  или визуализировать, с этим я, конечно, согласен. Мы можем понять, почему NaCl состав. Но мы не можем понять, почему Cu₃Au. Вот это понять на самом деле очень непросто. Существуют какие-то приближенные модели, которые иногда работают, а иногда не работают. Но с пониманием химических составов металлических сплавов действительно есть большие проблемы.

Вопрос из зала: А не пробовали вы отдельные молекулы представить вне состава кристалла и тогда посмотреть, действительно есть молекулы, или это просто свойство кристаллов?

Борис Долгин: В каком смысле «действительно ли есть молекула», вы думаете, кристаллы без молекул могут быть? Спасибо.

Артем Оганов: Смотрите. Мы изучаем вещество в его наиболее устойчивой форме. Кстати говоря, молекулы, если им дать возможность, при низких температурах сконденсируются в кристалл - обязательно, всегда. То есть устойчивым состоянием вещества будет не отдельно взятая молекула, а кристалл молекул. Это может быть молекулярный кристалл, ну, например хлор, фтор, кислород, метан, парафины. Лекарство какое-то, аспирин - это тоже молекулярный кристалл, он состоит из четко выраженных молекул, внутри молекул расстояния маленькие, а между молекулами они очень большие. А бывают кристаллы не молекулярные, такие как NaCl, в котором вы молекулу никогда в жизни не выделите, потому что там все пространство пробегается одинаково длинными или одинаково короткими связями. Никаких выделенных молекул там вы не найдете. Но, вот и все. Какие-то вещества, но NaCl не склонен образовывать молекулы, он будет образовывать молекулы только в газовой фазе, до тех пор, пока вы его не сконденсируете.

Понимаете, при давлении молекул даже натрий хлор не будет. Потому что эти молекулы, как я уже сказал, сконденсируются, и они взаимно разрушат друг друга. Под давлением они как раз образуют бесконечный кристалл.

Борис Долгин: Все. Дальше

Вопрос из зала: В продолжение темы алмазов и их порчи. Насколько я знаю, есть промышленный способ получения алмазов, но они крайне миниатюрны, там в порядка миллиметра величины. Вот вопрос, как ваш коллега умудряется, я так понимаю, их сплавлять каким-то образом, образовывая более крупный кристалл?

Артем Оганов: Он этого не делает, тут алмазы как раз такой самой величины. Тут полмиллиметра, треть миллиметра и 0,4 мм.

Вопрос из зала: А в чем тогда его достижение?

Артем Оганов: А его достижения особого и нет. Это человек, который был блестящим химиком, а теперь вынужден заниматься обработкой вторсырья.

Вопрос из зала: Видимо я не так понял.

Артем Оганов: Он просто разработал свою какую-то технологию экономичного растворения металлического инструмента, то есть что из себя представляет алмазный инструмент? это какой-то металл, какой-то сплав, в котором вкраплены вот эти алмазы. Алмазы размером полмиллиметра или даже меньше. Когда стачивается этот инструмент, его выкидывают. Он идет, грубо говоря, на свалку, берет этот сточенный инструмент, но там еще алмаз где-то остается, растворяет его своим экономичным способом и потом перепродает производителям алмазного инструмента эти алмазные зерна.

Вопрос из зала: А вот по вашей системе, по вашей теории, возможно ли рассчитать какую-то установку, какую-то систему, в которой было бы возможно производство алмазов, гораздо более крупных, чем получаемые промышленным образом в данный момент?

Артем Оганов: Вы знаете, на самом деле такая технология уже существует. Можно сейчас получать алмазы размером, ну скажем так, площадью с ладонь. Вот такие окна алмазов

Вопрос из зала: Алмазоподобные слои?

Артем Оганов: Это именно алмаз, чистейшей воды алмаз, высочайшего качества, такие окошечки, если хотите. Это пластинки толщиной, может быть, миллиметр, а диаметром сантиметров  12. Хорошие такие пластиночки. Стоит такая пластинка порядка 10 тысяч долларов, даже побольше. Но себестоимость там, по-моему, не настолько высока.  Они продают по такой цене.

Вопрос из зала: Еще хотел спросить о постоянных магнитах. Они случайно не органические?

Артем Оганов: Нет. Не органические

Вопрос из зала: А какой там примерно состав?

Артем Оганов: Там должен быть переходный металл, там должен быть тяжелый металл, и часто мы добавляем еще элемент-связку, такой как бор, или углерод, или кремний, чтобы стабилизировать состав.

 

Вопрос из зала: И они при нормальных условиях, я так понимаю, являются достаточно сильными, да? 

Артем Оганов: Да. Достаточно сильные магниты, нами предсказано уже три таких вещества. Одно уже успели синтезировать, два другие сейчас в процессе. Вообще с сильными магнитами история очень интересная, потому что все известные на сегодняшний день сильные магниты содержат редкоземельные металлы. И тут есть некоторая геополитическая игра. Несколько лет назад Китаю - вообще, насколько мудрое китайское правительство, надо сказать! - Китаю удалось монополизировать 1/7 часть таблицы Менделеева. Редкоземельные металлы. Они скупили почти все мировые запасы редкоземельных металлов. Месторождения, а также перерабатывающие фабрики. 98% редкоземельных запасов мира принадлежат Китаю. Что это значит – это значит, что Китай может назначать любую цену. Захотят - удвоят, и вы вынуждены будете это платить, у вас нет никакого выбора, захотят - удесятерят, и вы вынуждены будете платить. Сильные постоянные магниты необходимы, например для ветроэлектростанций. Для автомобилей. Для массы приборов. И сейчас, во многих странах мира, особенно, конечно, в США (США вообще очень ревниво относится к тому, что у кого-то что-то есть, чего нет у них) большая программа по созданию магнитных материалов, не содержащих редких земель. Ну, похоже, что такой магнит создать можно.

Вопрос из зала: То есть на органике в том числе, я так понял?

Артем Оганов:  На органике, я думаю, это бесперспективно. Я думаю, что это должна быть такая сугубо неорганика, переходный метал. Ну, сами посудите, зачем вам атом углерода и водорода, чем они помогут в создании магнита? да ничем.  Какое-то бензольное кольцо ничуть не усилит ваш магнит. Нет, это не органические вещества. Должен быть переходный металл, который является носителем магнетизма, и обязательно должен быть тяжелый металл, который бы помог… Кстати, тут любопытно, еще одно проявление релятивистских эффектов, связанных с теорией относительности, которые наиболее сильно проявлены именно для тяжелых металлов. Тяжелый металл нужен для того, чтобы привнести привкус теории относительности. Именно благодаря этим эффектам направление магнитного поля фиксируется в пространстве. Если бы не было теории относительности, если бы не было релятивистских эффектов, то вообще не было бы магнетизма. Но если бы мы представили себе, что магнетизм каким-то образом есть, а тяжелых металлов, которые создают дополнительные эффекты, нет, то направление магнетизации легко бы вращалось в пространстве, оно бы не было закреплено. Чтобы его закрепить, нужен тяжелый металл.

Вопрос из зала: А по температуре Кюри они примерно каковы?

Артем Оганов:  Этого мы пока не знаем, мы вот только-только получили это вещество, еще не успели его точно охарактеризовать. Но мы знаем, что оно очень сильно притягивается к магниту, это мы уже успели понять.

Вопрос из зала:  Спасибо.

Борис Долгин: Спасибо. Так, еще.

Вопрос из зала: Здравствуйте. Вначале хотелось бы вас поблагодарить за эту легкость в подаче материала. Потому что я вспоминаю школьные годы, для кого-то чудесные, для кого-то чуть менее. То ощущение ужаса, которое испытываешь на уроках по физике и по химии, совершенно это отсутствовало на вашей лекции. По поводу вопроса. В начале вашего доклада на графиках основным параметром было давление, хотелось бы понять, почему давление имеет такую эксклюзивную важность.

Борис Долгин: В природе или в исследованиях нашего лектора?

Вопрос из зала: В ваших исследованиях. И действительно ли температура, к примеру, менее существенна, и из-за этого вы давлению придаете такую важность? И второй коротенький вопрос - вот вы упомянули про вашего китайского ученика и его дотошность, когда он использовал всю таблицу Менделеева, а не доводилось ли ему поиграть с различными изотопами, может быть, используя разные изотопы, моли бы найти какие-то другие свойства?

Борис Долгин: Спасибо.

Артем Оганов:  Спасибо. Отвечу на второй вопрос. Будет более быстрый ответ. А потом на первый. Разные изотопы одного и того же химического элемента обладают идентичными химическими свойствами. Наибольшее различие для изотопов водорода, там кое-какие эффекты возникают, но тоже с точки зрения физического, а не химического плана. Химические свойства разных изотопов идентичны. Так что изотопы нам тут мало чем помогут. Собственно, ничем не помогут.

А первый вопрос был по поводу, напомните?..

Вопрос из зала: По поводу того, почему давление…

Артем Оганов:  Прежде всего, потому что мы изучаем природу. Ученый - это тот, кто изучает природу. В природе высокие давления - это наиболее важный тип экстремальных условий, потому что, как я уже сказал, большинство вещества Вселенной находится именно при высоких давлениях. Но есть еще вторая причина - давление проще изучать. Гораздо проще изучать, чем любое другое условие. Например, с давлением проще обходиться теоретику, чем с температурой. Проще, чем с электрическим или магнитным полем. То есть тут комбинация того, что это наиболее важно, наиболее распространено в природе и по счастливому стечению обстоятельств еще и проще для нас. Температура оказывает менее существенное влияние на химию, можно понять почему. Потому что по оси давления у вас практически нет верхнего предела, вы всегда можете сдавить в 2 раза больше.  До 1 млн. атмосфер сдавили - ничего не произошло, сдавливаем до 2х млн. С температурой не получится, потому что рано или поздно ваше вещество просто расплавится, а потом вообще перейдет в плазменное состояние, и вы утратите любую химию. Говорить о химии будет как-то уже бессмысленно. С давлением вы действительно можете создавать новую химию, и предела этому нет. Это очень интересно. Это очень любопытно. Всегда можно поиграть, больше пространства поиграть с давлением, чем с температурой.  

А сверхвысокие магнитные и электрические поля - это Terra Incognita. По сути, практически нету работ, которые бы этим занимались. Пару лет назад вышла очень интересная работа про сверхвысокие магнитные поля и их влияние на химию; работа вышла в Nature. Это единственная работа такого рода, которая мне известна. Тяжело изучать теоретически, еще тяжелее изучать экспериментально, потому что те магнитные поля, которые мы называем сильными, на самом деле слишком слабы для того, чтобы менять химию. Чтобы менять химию, нужны магнитные поля на порядок - на порядки сильнее. В частности, в той публикации в Nature изучались магнитные поля такого порядка, как в нейтронных звездах. Это колоссальных сил магнитные поля, которые реально способны изменить электронную структуру атома. Я думаю, такие исследования обязательно появятся, может быть, даже мы как-нибудь займемся этим.

Борис Долгин: Спасибо. Еще

Вопрос из зала:  Здравствуйте. Я благодарен за лекцию, очень интересно. Присоединяюсь к товарищам, мне тоже химия никогда не нравилась, но сегодня… А физика мне нравилась, поэтому я стал физиком. Я не специалист в геологии, но вы сегодня не упоминали этого в лекции, или я опоздал. Я сегодня только смотрел ваш ролик на постнауке про изучение недр земли, вы занимаетесь этим. Есть такая, как я понял, альтернативная гипотеза строения Земли, как металлогидридная теория Земли. Интересно узнать от ученого степень доверия к этой теории, вы знакомы с ней?

Артем Оганов:  Напомните, я что-то…

Вопрос из зала: Вот вкратце - она предполагает, что ядро Земли состоит не из железа, а из  гидридов металлов, по-моему, водород с магнием и с кремнием, что-то такое. И из нее вытекают такие серьезные следствия, как, например, залежи огромных океанов водорода в определенных местах, где можно бурить и так далее, но это уже следствие. Это была книжка научно-популярная, поэтому очень интересна степень доверия к ней

Артем Оганов:  Нулевая.

Вопрос из зала: Все, закончили с ней. Можно тогда еще один вопрос? Раз вы вернулись, вы верите в то, что наука в России будет развиваться, и можете прокомментировать. То есть я почти разорвал связь с наукой, потому что я не видел, по-моему, стагнация полная…

 

Артем Оганов:  Я верю в то, что наука здесь будет процветать. Но в начале лекции я уже упомянул, что я вернулся в Россию только что. Вот я сейчас приехал в Москву - уже все, распаковываю чемоданы. Заново паковать не собираюсь. Если бы я не верил, что наука здесь - и не только наука - имеют будущее, то я бы, конечно, этого не сделал. У меня прекрасная позиция в Америке, полный профессор, огромная лаборатория, постоянная позиция, трехэтажный дом и т.д. и т.п., бросать это все, чтобы потом оказаться на Колыме, в стране, в которой нет науки, было бы как-то глупо. Я переехал сюда именно потому, что считаю, что тут будет интересно заниматься наукой, интересно вообще жить, и очень хочется в этом участвовать.

Вообще я по жизни люблю делать то, чего раньше не было. Строить на пустом месте, если хотите.  Я приехал в Америку - мне выделили лабораторию. Что значит «лабораторию» – пространство, были четыре стены и ничего, ни одного человека, ни одного прибора. За пару лет я создал передовую лабораторию, самую мощную лабораторию на факультете. Я люблю строить на пустом месте.  В России не пустое место, кстати говоря. В России на удивление много мощных ученых.  Чем больше присматриваешься к этому научному ландшафту, тем больше понимаешь, что как бы ни колотили в мозги Россию последние 30 лет, как бы ни вышибали из нее мозги, все-таки мозгов очень много. Я не знаю, долго ли это может продолжаться. Но, тем не менее, наука наша очень сильно обескровлена. Я вижу - может быть, вы со мной не согласитесь, - что науку в России начали восстанавливать. И я вижу, что плоды этого уже есть. И мне очень хочется участвовать в этом процессе восстановления нашей науки.

Предсказывать будущее я не могу, я понимаю, что мой шаг - возвращение в Россию - достаточно авантюристичен, но я по жизни очень везучий человек. Настолько везучий, что мои близкие всегда с завистью на меня смотрят. Вот моя жена мне говорит: как ты можешь быть таким везучим? это же просто неприлично. И всегда эти все вещи, которые я начинал, и никто не верил, что это будет, всегда получались. Так что надеюсь, что вас это немножко приободрит, такой мой личный пример. Когда-то Вольтер сказал про швейцарских банкиров: «Если вы увидите швейцарского банкира, прыгающего из окна, смело следуйте за ним: там наверняка можно сделать много денег».  Ну, вот нечто подобное я применяю к себе. Со стороны может показаться сумасшествием возвращаться в Россию: у нас кровавый режим, стагнация, девальвация, несвобода, сами знаете. Тем не менее, я верю, что в России будет очень хорошо.

Борис Долгин: Да. Ну, давайте на это надеяться.

Вопрос из зала: Сложно сказать что-то после такой воодушевляющей речи. Присоединяюсь к благодарностям коллег и надежде, что ваши слова окажутся истинными. Первый вопрос: хотел, чтобы вы подробнее остановились на своем проекте, связанном с лекарствами. Можете немного осветить?

Артем Оганов:  Могу. Проект, связанный с лекарствами, достаточно любопытный. Это не является дизайном лекарств в классическом понимании. Помните такого персонажа в английской истории - Фрэнсиса Дрейка? Пират Ее Величества. Это несколько пиратский проект. В чем он состоит? Дело в том, что в международном патентном законодательстве патентуется не лекарственная молекула, а вообще говоря, лекарственная молекула - это именно то, что лечит болезнь. Аспирин - что лечит болезнь? молекула аспирина: когда аспирин растворяется, молекула идет в кровь и там что-то лечит. Так вот, патентуется не молекула, а абсурдно патентуется кристаллическая структура того аспирина, который вы принимаете в лекарстве. Что это значит? Bayer запатентовал аспирин, но если вы найдете другую кристаллическую структуру аспирина, вам этот патент нипочем. Вы можете производить свой патент, игнорируя Bayer. Ну, патент Bayer давно истек, но есть патенты, которые живы.

Это один способ взламывать чужие патенты. И с помощью методов, которые я развиваю, это можно сделать.  Но есть еще более интересный способ.  Производство лекарств на основе уже существующих, модулируя немножко их характеристики, приводя, может быть к более эффективным лекарствам. Тут я должен сказать вот что. Большие усилия фармацевтические компании тратят на оптимизацию растворимости лекарства. Дело в том, что когда лекарство растворяется слишком медленно, оно может быть неэффективным. Когда оно растворяется слишком быстро, оно может оказаться даже летальным. Нужно поймать золотую середину, и на это уходят огромные средства и огромные усилия. Так вот, есть способ ввести новую степень свободы  в эту задачу про растворимость, которая позволит вам одновременно еще более эффективно вам модулировать растворимость, с одной стороны, а с другой стороны, не ориентироваться на существующие патенты.

Как это можно сделать? Устойчивые соединения лекарственной молекулы с какой-либо другой. Например, виагра. Многомиллиардная индустрия. Если вы сможете производить кристалл, в котором молекулы виагры сочетаются как-то в пространстве с другой молекулой, например воды, этанола на радость алкоголикам, витамина С, глицерина или чего-то еще, найти партнера молекуле виагры и создать кристалл, состоящий из двух типов молекулы, что это значит? Это значит, во-первых, что существующий патент на виагру вам не страшен, а во-вторых, вы можете, модулируя эту степень свободы, модулировать растворимость. Красота, правда? Вот таким вот образом нами найдено три новых лекарственных препарата.

Вопрос из зала: Спасибо большое. И второй вопрос. Я в нем слегка дилетант, но, надеюсь, вы ответите. Насколько я понимаю, согласно последним представлениям, в нашу Вселенную встроена решетка из бозонов Хиггса, которая не дает электронам отрываться от ядра, развивать скорость света и улетать от них. И в этих сверхпроводниках из бора и графена это как-то нарушается - или?..

Артем Оганов:  Ну, я думаю, тут неверно сформулировали. Бозон Хиггса тут вообще ни при чем. Электроны не отрываются от ядра не из-за бозона Хиггса, а из-за того, что ядро заряжено, и электроны тоже, и гигантское электростатическое притяжение электронов к ядру не позволяет им уйти далеко. Так что дело тут только в этом.

А по поводу лекарств еще скажу вот что. Я считаю, что эта вот идея создания новых лекарств, которые могут не ориентироваться на существующие патенты, - это благородное пиратство. Типа того, что делали Фрэнсис Дрейк или Робин Гуд. Потому что таким способом можно будет очень серьезно снизить  стоимость лекарств. То есть можно создавать конкурентов существующим лекарствам и существенно понизить цены. Многие люди, которые страдают от разных заболеваний, я думаю, с благодарностью отнеслись бы к такой идее. Ну, кроме того, я думаю, дешевая виагра порадовала бы очень многих людей.

Ну и в России, вы сами знаете, что фактически убита фармацевтика,  производятся только дженерики. Вот это простой способ вернуться в рынок патентованных лекарств.

Вопрос из зала: Спасибо.

Борис Долгин: Спасибо. К сожалению, наше время истекло.

Вопрос из зала: Борис, можно еще? Ну, коротенький вопросик. Просто ваш проект «Фестиваль науки» заканчивается на такой прекрасной ноте, и это в принципе надо отметить. На самом деле фармацевтика начинает возрождаться уже, вот то, что я слышал. А вопрос мой такой, мне просто по ходу пьесы пришло в голову, что тот же прозрачный натрий – это, видимо, какое-то пятое состояние вещества, может быть, так? Спасибо.

Артем Оганов:  Прозрачный натрий - это кристаллическое состояние вещества, то есть в этом смысле традиционное, но в нем есть одна изюминка, которую я вкратце упоминал. Если вы посмотрите на структуру натрия и распределение электронов в этой структуре, то, как я уже сказал, вы увидите, что электроны сидят не между атомами, как было бы в случае ковалентной связи, и не на атомах, как было бы в случае ионной связи. Не размазаны по всему пространству, как было бы в случае металла. Они вообще сидят там, где их не должно было быть. Они сидят максимально далеко от атомов, в пустом пространстве. То есть атомы образуют какой-то каркас, а в пустотах этого каркаса локализуются электроны. Но это, в общем-то, дикость. Но такие вещества известны. Такие вещества называются электридами. Откуда происходит это название, и в чем суть? Когда вы забираете у атома натрия его электрон - фактически происходит именно это, вы  забираете электрон и сажаете его в пустое пространство структуры, - атом натрия становится положительно заряженным. А электрон отрицательно заряженный. И этот сгусток электронной плотности выполняет роль отрицательно заряженного иона. Когда роль отрицательного иона выполняет кислород, мы называем это оксид. Когда водород - гидрид. Когда хлор - хлорид. Когда фтор - фторид. А когда голый электрон - мы называем это электрид. Электриды, вообще-то говоря, известны. Есть несколько примеров электридов. Известных, экспериментальных  даже энное  число лет. Обычно это какие-то органические вещества, с молекулами, у которых легко отодрать электроны, обычно они содержат еще щелочные металлы. Какая-то органическая молекула, щелочной металл и электрон, сидящий где-то в сторонке.

 

Есть электрид, который является алюмосиликатом. То есть это такой алюмосиликатный каркас, похожий на каркасы, присутствующие во многих минералах, и в центре пустоты сидит электрон. Такие вещества известны, они очень интересны и могут находить применение в химической промышленности.

Тут если можно на минутку отвлечься. На самом деле не отвлечься, а более полно ответить на этот вопрос.  Вот этот электрон, который покидает атомы и садится в пустое пространство, он оказывается химически крайне активным. И работа выхода, то есть энергия, которую нужно потратить, чтобы этот электрон вырвать из кристалла, у таких веществ, электридов, еще ниже, чем у металлов. Казалось бы, что может быть проще, чем оторвать электрон у металла? У электрида, а электриды - это обычно не металлы, вырвать электрон еще проще. И электриды можно использовать в химической промышленности именно как доноры электронов. Либо как катализаторы, где нужно дать электрон, чтобы сломать какую-то химическую связь или образовать и так далее. Ну, либо в каких-то других ипостасях - как восстановители.

В электридах эти электроны чувствуют себя немножко лишними, и они с радостью вступают в различные химические реакции, их достаточно легко можно оторвать. Именно с этим связано то, что натрий под давлением реагирует с гелием. То есть у натрия, как вы уже видели, есть вот эта электронная пара, локализованная в центре пустого пространства, и эта электронная пара готова наброситься на шею любому элементу. Даже гелию. Гелию не нужны электроны, но эта электронная пара так настаивает, что часть этой электронной плотности действительно переползает на гелий. А если вы положите в эту систему еще и кислород, а кислород является самым сильным акцептором электронных пар, кислород хочет получить сразу два электрона и с радостью их берет, так вот если в эту систему добавить кислород, то появится соединение Na₂HeO, которое становится устойчивым при гораздо более низких давлениях, 14-15 ГПа.

Другими словами, прозрачный натрий - это не новое состояние вещества, это, скажем так, оригинальный редкий класс веществ, которые были известны еще до того, электриды, в которых электрон исполняет роль отрицательно заряженного иона. И особенностью этих веществ является  то, что они реакционноспособны, они с радостью избавляются от этих электронов или участвуют в каких-то реакциях именно посредством этих электронов.

Борис Долгин: Спасибо большое! Спасибо