Развитие современной химии

 

 

 

Химия - наука социальная. Её высшая цель – удовлетворять  нужды каждого человека и всего  общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология,  генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья - это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга - это, прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т.д.

 

 

 

 

                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общие тенденции развития  современной химии

 

 

1.1 Химия как фундаментальная  наука

 

 

Как фундаментальная наука  химия сформировалась в начале  XX века, вместе с новой, квантовой механикой. И это бесспорная истина, потому что все объекты химии - атомы, молекулы, ионы, и т.д. - являются квантовыми объектами. Главное, центральное событие в химии - химическая реакция, т.е. перегруппировка атомных ядер и преобразование электронных оболочек, электронных одежд молекул-реагентов в молекулы продуктов - также является квантовым событием. Три главных элемента квантовой механики составили прочный и надёжный физический фундамент химии: 

 

- понятие волновой функции  электрона как распределённого  в пространстве и времени заряда  и спина углового момента);

 

- принцип Паули, организующий  электроны по энергетическим  уровням и спиновым состояниям, "рассаживающий" электроны  по их собственным орбиталям (волновым функциям);

 

- уравнение Шредингера  как квантовый наследник уравнений  классической механики.

 

В химии (как, впрочем, и во всякой живой науке) постоянно рождаются  новые идеи, совершаются крупные  прорывы, формируются новые тенденции.         Главные, ключевые события происходят в химическом синтезе; здесь совершаются  каждодневные открытия - большие и  малые, значимые и мало заметные.

 

 

1.2 

 

                                 

 

Оценивая основные тенденции  и уже имеющиеся результаты научно-технического развития химии можно говорить о  том, что мир вступает в новую  эволюционную фазу, которую можно  назвать вторичной эволюцией, когда  в противостоянии «технология –  эволюция», влияние технологии начинает превалировать, радикально меняя и  биосферу, и самого человека.                Преображаются  глубинные основы химической технологии. Во-первых, кая теория строения вещества в сочетании с моделирующими возможностями супер-ЭВМ позволяет точно прогнозировать свойства синтезируемого вещества и путь его синтеза.

 

Во-вторых, развитие тонких методов  катализа, «прицельной» химии расщепления  и сшивки крупных молекулярных фрагментов и другие подобные методы превращают химика как бы в зодчего новых  химических форм. Наконец, ведется интенсивный  поиск путей самоформирования все более высокоорганизованных химических структур. Почти фантастические перспективы развития в этом направлении наметились в области химии быстропротекающих процессов - взрыва, пламени, плазмы. Эти процессы, играющие ключевую роль в автомобильном, воздушном и морском транспорте, космонавтике, гидрометаллургии и т.д., остаются до настоящего времени мало изученными. Ниже перечислены основные направления развития современной химии на рубеже ХХ – ХХI веков:

 

- синтез новых, не существующих  в природе, химических элементов; 

 

- разработка метода полярографии;

 

- создание фундаментальной  пограничной дисциплины — квантовой  химии; 

 

- расшифровка структуры  (двойной спирали) дезоксирибонуклеиновой  кислоты (ДНК);

 

- синтез дендримеров (молекулы, построенные по фрактальному типу - когда всё вещество составлено одной гигантской молекулой (по принципу алмаза));

 

- синтез неметаллических  (в том числе стеклообразных) полупроводников; 

 

- синтез неметаллических  (керамических) высокотемпературных  сверхпроводников;

 

- создание мультисенсорных  систем типа «электронный нос», «электронный язык» на основе  неселективных сенсоров, разработка  методов распознавания образов  (с применением искусственных  нейронных сетей) при интеграции  химии, физики, математики.

 

Подводя итог вышесказанному, можно выделить основные направления  развития химии в 21 веке:

 

- компьютерная химия, компьютерное  моделирование молекул (молекулярный  дизайн) и химических реакций; 

 

- спиновая химия; 

 

- синтез и исследование  наноструктур, развитие и применение нанотехнологий;

 

- синтез полимерных полупроводников; 

 

- химия чрезвычайно быстротекущих  реакций (фемтохимия);

 

-  синтез фуллеренов  и нанотрубок;

 

- развитие химии одиночной  молекулы;

 

- развитие электроники  на молекулярном уровне;

 

- создание «молекулярных  машин»;

 

- электровзрывная активация  пульпы и растворов;

 

- создание и развитие  «химической медицины», решение  проблемы «химического бессмертия». 

 

В следующей части курсовой работы рассмотрены подробнее некоторые  перспективные направления современной  химии.

 

 

 

2 Основные направления  развития химии в ХХI

 

 

    2.1 Компьютерное  моделирование молекул (молекулярный  дизайн) и химических реакций

 

 

Компьютерное моделирование  химических реакций - это сформировавшаяся на стыке теоретической физики, прикладной вычислительной математики и химии  область знаний, в которой создана  количественная теория строения и основных свойств многоатомных молекул и  реакций между ними. Пройдя довольно длительную историю развития, компьютерная химия дала возможность понять, как  устроен микромир на молекулярном уровне. Она позволила с достаточно высокой  степенью достоверности производить  численный прогноз. На основании  такого прогноза можно судить, во-первых, о самой возможности существования  или иной молекулярной системы как устойчивой совокупности атомов. Во-вторых, об индивидуальных характеристиках таких систем (геометрическое строение, распределение заряда внутри молекулы и др.). В-третьих, о преимущественных направлениях тех или иных химических   реакций. Создание мощного программного обеспечения  наряду с самим развитием ЭВМ сделало такой прогноз практически доступным широкому кругу исследователей  разных направлений.

 

Основными направлениями  компьютерной химии являются:

 

- создание принципиально  новых компьютерных программ  поиска и отбор новых эффективных  веществ; 

 

- количественный анализ  связи структура-активность для  широкого спектра ФАВ. 

 

 Стало реальным говорить  о так называемом инженерном  уровне расчетов, когда достоверность  прогноза достигает  80-90 процентов. При этом прогноз делается за столь короткий промежуток времени, что испытать массу вариантов можно быстрее, чем провести натурный    эксперимент. Соответствующие методы получили столь большое распространение, что составили основу так называемого молекулярного дизайна, или моделирования молекул. Современный исследователь-химик уже не может ограничиться лишь традиционными химическими знаниями, навыками и экспериментами. Параллельно и даже с некоторым опережением должно проводиться моделирование химических систем. Сейчас уже можно смело говорить о двух равноправных сторонах одного и того же исследовательского процесса.

 

 Компьютер реально  становится таким же инструментом   исследования, как и привычный  химический или физико-химический  эксперимент. И расчет, и эксперимент,  следовательно, может проводить  один и тот же человек. 

 

Владение методами компьютерной химии становится, таким образом, необходимым требованием к любому современному специалисту-химику. Более  того, современные компьютерные программы  обладают высокой сервисностью, поэтому работать с ними может, в принципе, любой школьник-старшеклассник. Основным экспериментальным методом изучения электронных уровней молекулы служит спектроскопия. Например, с помощью ультрафиолетовой, оптической и фотоэлектронной спектроскопии определяют положение уровней энергии    слабосвязанных электронов. Энергии наиболее глубоких электронов измеряют, применяя рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. Исследование энергетического спектра молекул является сравнительно простой и точной процедурой.

 

 В большинстве случаев  изучение электронного строения  молекул возможно только с  использованием мощных современных  компьютеров. Возможности современных  вычислительных квантово-химических  программ очень велики. Рекламный  проспект одной из наиболее  мощных программ Gaussian'98 приводит  пример расчета фрагмента ДНК  из 378 атомов, входе которого было  установлено ее  пространственное строение. Сегодня развитые программные  пакеты позволяют даже неискушенному пользователю результаты с использованием современных прецизионных методов расчетов.

 

 Конечным результатом  любых расчетов должны быть  ответы на вопросы, возникающие  в ходе химических исследований. Методы компьютерной химии в  ряде случаев позволяют рассчитать  многие свойства молекул, что делает их особенно привлекательными в тех случаях, когда экспериментальное исследование затруднено (как в случае короткоживущих состояний) или просто невозможно. Если раньше искусством было само получение результата, то теперь этот процесс стал рутинным, а творческий момент сместился на создание моделей и осмысление их. Поэтому квантово-химические исследования подчас называют тоже "экспериментом", только проведенным на ЭВМ. Круг конкретных химических задач, решаемых методами квантовой химии, очень широк.

 

 Полученные результаты  далеко не всегда легко интерпретировать  в терминах классической химии.  Установление соответствия между  экспериментально наблюдаемыми  явлениями и данными квантово-химического  расчета часто обогащает новыми  идеями не только квантовую  химию, но и саму химическую  науку, создавая новые модели  для описания химической связи,  строения молекул и их взаимодействия.

 

 

 

 

2.2 Спиновая химия

 

 

Спиновая химия уникальна: она вводит в химию магнитные  взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия контролируют химическую реакционную  способность и пишут новый, магнитный  «сценарий» реакции.

 

Дизайн молекулярных магнетиков — одно из новых научных направлений  современной химии, связанное с  синтезом систем высокой размерности. Сегодня достижения современной  химии таковы, что химики могут  ставить перед собой сверхзадачу  — синтезировать в мягких условиях готовое изделие, скажем, монокристалл, сразу, как цельный макрообъект, из исходных молекулярных компонентов. При этом становятся равноправно  значимыми как внутримолекулярные, так и межмолекулярные взаимодействия и связи. Причем, и это особенно важно, они должны быть не какими-то случайными, а выполняющими определенную функциональную нагрузку. В результате из отдельных молекул должен получиться макрообъект с неким кооперативным  свойством, которое присуще природе  кристалла, т.е. природе макроансамбля, но никак не отдельно взятой молекуле.

 

Поскольку в итоге получается многоспиновая молекула (каждая молекула содержит неспаренный электрон (спиновую метку)) — это можно отнести к  спиновой  химии.  Особенно интересующие нас в данном случае макросвойства, такие как, скажем, магнетизм - свойства физического порядка. В этот момент соединяются в целое интересы химии и физики. Особенность таких соединений в том, что - это материалы будущего, новые компоненты элементной базы будущего, причем совсем не отдаленного. Молекулярные магнетики обладают разнообразным сочетанием физических характеристик, которое для классических магнитных материалов трудно было даже представить.

 

Сегодня мы научились получать кристаллы  молекулярных магнетиков, которые по сравнению с классическими магнитными материалами необычайно легкие, поскольку их плотность в 5-7 раз меньше. При этом они могут быть оптически прозрачными в видимой и инфракрасной областях спектра. И еще одна из особенностей — они, как правило, диэлектрики, т.е. не требуют каких-то специальных изоляционных покрытий при контакте с электропроводящими устройствами. Они совершенно не токсичны и устойчивы к коррозии.  Молекулярные магнетики могут найти приложения в следующих областях: магнитная защита от низкочастотных полей, трансформаторы и генераторы, имеющие малый вес, научное приборостроение, криогенная техника, информационные технологии, медицина, энергетика.

 

 

                      2.3   Нанохимия

 

                       

 

         Для  понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов. Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. Туннельный эффект - квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Основой изобретенного микроскопа  является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку.