Украинское ноу-хау: физико-химическая информатика

Что общего между космическим лифтом и нанотрубками, зарастанием внутренних сечений трубопроводов и памятью деревьев, видением на расстоянии и опреснением воды? На первый взгляд, ничего… Однако физико-химическая информатика, которая преподается в одном из технических вузов Киева, позволяет объединить столь разные вещи. Интересно, что подобный курс больше не читается нигде в мире, хотя только один раздел этой науки, занимающийся так называемыми комплексонами, охватывает 1047 источников из различных международных журналов. Это свидетельствует об огромном интересе ученых и инженеров к этому направлению. Думаю, познакомиться с ним будет интересно и тем, кто далек от науки.

На кафедре прикладной физики Национального технического университета Украины «КПИ» собрана коллекция аварийных трубопроводов, которые эксплуатировались в различных отраслях промышленности с нарушениями технологий. Разрез такого трубопровода представлен на фотографии. Она дает наглядное представление о том, в каком состоянии находится система, предназначенная для пропуска воды.

Естественно, что учеными давно создаются и различные способы борьбы с отложениями. Доступные и дешевые средства разработаны и на нашей кафедре. Некоторые из них не имеют аналогов в мире. Здесь же созданы и технологии по применению химических комплексонов. Эти вещества даже в небольших объемах, соразмерных со спичечной головкой, могут действовать разрушительно на связи между кристаллами отложений в трубках теплообменника.

Упомянутые вещества активно применяют не только в энергетике или добыче энергоносителей, а также в сельском хозяйстве для повышения урожайности злаковых, в пищевой промышленности для увеличения срока хранения продуктов, в медицине — для вывода токсинов из организма, для диагностики заболеваний. При этом спектр применения комплексонов постоянно расширяется.

Возможность воды сохранять и передавать позитивную или негативную информацию отмечали наши предки. Например, раньше говорили: не пей воды из плохого двора (где тяжело болеют, где не в согласии муж со своей женой и т. д.) О памяти воды говорится даже в Библии: «Господь велел Моисею учить сыновей израилевых проверять верность жен посредством особой «воды, что наводит проклятие, если она нечистая и сделала преступление».

Научные исследования воды начались с 1783 г., когда было установлено, что в процессе сжигання водорода образуются капельки жидкости. Гей-Люссаком и Гумбольдтом в 1805 г. была предложена простая формула воды — Н₂О. Однако представление о простом строении было развеяно, когда начались исследования с помощью масс-спектрометрии. Так была открыта тяжелая вода (D₂O), выявлен третий изотоп водорода — тритий Н₃, или Т, получена сверхтяжелая вода (Т₂О), полутяжелая вода HOD и т.д.

Поликристаллическое строение воды, как конгломерата жидких кристаллов, объясняет множество загадок, например, феномен информационной памяти воды.

Сегнетова соль представляет собой бесцветные кристаллы, разлагающиеся при 55,6°С. Она открыта в 1655 году французским аптекарем Э.Сеньгетом, в честь которого и была названа. Сегодня это и сегнетоэлектрики и пироэлектрические фотоприемники, которые при изменении температуры на 1°С вызывают появление электрического поля до 10 кВ/см. Это направление дало миру тепловизионные камеры, позволяющие видеть следы давно прошедшего объекта, а также обнаруживать объекты в темноте на расстоянии до 20 км, выявлять аварийные трубопроводы в земле, скрытую электропроводку, локальные точки заболевания внутренних органов у живых организмов и т.п.

Ежедневно создаются новые вещества и материалы, позволяющие изменять представление о технике, окружающей нас. Так, например, шаг к созданию полностью прозрачных дисплеев сделала группа американских ученых. Это гибкие органические экраны, у которых транзисторы выполнены с использованием нанопроводников и проводниковых окислов, пропускающих свет. Ученые считают, что новинка будет использоваться в изготовлении электронной бумаги, очков, автомобильного стекла и прозрачных микросхем.

Ожидаются большие «прорывы» в технологии синтеза новых материалов, что позволит в будущем создавать их «по-атомно» — атом за атомом. Особенно это важно для медицины и многих отраслей производства. Пример таких новых уникальных материалов — фуллерены. Сегодня 1 грамм этого материала стоит 100 долларов США. Но это еще не предел стоимости новых материалов — 1 грамм нанотрубок стоит несколько сотен долларов США. Они обладают сверхразвитой поверхностью (500 м²/г), прочностью и сверхпроводимостью.

Именно с их помощью сегодня пытаются создать фантастический космический лифт, на котором со временем можно будет отправиться на околоземную орбиту. В таком лифте главным компонентом конструкции будет сверхпрочный кабель длиной в 100 тысяч километров из нанотрубок.

Наглядное представление о том, насколько инженеры приблизились к реализации этой мечты, дают соревнования «Космический лифт-2007», состоявшиеся недавно в штате Юта (США) при поддержке НАСА. Они проводятся с 2005 г. и закончатся в 2010 году. Их цель — стимулировать разработку космического лифта, представляющего собой трос, один конец которого закреплен на спутнике, находящемся на геостационарной орбите, а другой — на экваторе.

Репортажи о конкурсе, прошедшем в этом году, давали все американские газеты. Он проводился в двух номинациях: на лучший трос и на лучшего робота-тросолаза. Приз в каждой составлял 500 тысяч долларов. Чтобы победить, робот должен был вскарабкаться по стометровому тросу, конец которого закреплен на стреле специального крана, со средней скоростью не ниже двух метров в секунду. Чтобы получить приз, команда должна была представить кольцо из материала, длина окружности которого была бы не менее двух метров, а масса — не более двух граммов. Представленные образцы нагружались до тех пор, пока не рвались. Побеждал тот, кто предоставлял кольцо из материала более прочного, чем материал, уже имеющийся в распоряжении NASA. В финал вышло две команды. Одна из них — из Массачусетского технологического института (МТИ), впервые представившая кольцо, целиком сделанное из углеродных нанотрубок.

Однако финалистов ждало разочарование — кольцо, изготовленное в МТИ, порвалось почти сразу. Вторая команда в последний момент отказалась от соревнования. Так что в этом году призы не достались никому. Что ж — зато на следующий год они составят уже по 900 тысяч долларов. Весьма щедро! И все же специалисты уверены, что все расходы окупятся, когда космический лифт действительно заработает. Ведь, отправляя по тросу с Земли на орбиту роботов, можно будет дешевле доставлять грузы на космические станции.

И такие фантастические проекты сегодня осуществляются во многих университетах мира. Кстати, с участием студентов этих высших учебных заведений, с младых ногтей получающих возможность работать над самыми перспективными разработками. К примеру, в сентябре 2007 года было объявлено, что британские ученые в Манчестерском университете вместе с немецкими учеными из института Макса Планка создали новую стабильную наноструктуру — углеродную пленку толщиной в один атом. В ней атомы расположены в конфигурации, напоминающей пчелиные соты. Новому материалу дали название «грейфин». В ближайшее время грейфин сможет заменить кремневые микрочипы и тогда он откроет эру глобальных изменений в компьютерной технике, электронике, медицине и многих других отраслях производства.