Элементная база природы

• Исполнилось 150 лет открытию Дмитрием Менделеевым периодического закона.
• Таблица Менделеева стала универсальным языком современной науки, открытые с тех пор новые элементы вписываются в ее пустые графы.
• Это закон, который показывает, что химические и физические свойства элементов повторяются по мере передвижения по таблице с увеличением их атомной массы.
• Таблица Менделеева называется так только в России и на постсоветском пространстве. Российские химики стремятся к тому, чтобы таблице официально присвоили имя Менделеева.

Сергей Медведев: Будущее наступило ровно 150 лет назад. В 1869 году Дмитрию Ивановичу Менделееву, как говорит легенда, во сне явилась его периодическая система элементов, был открыт периодический закон, создана своего рода азбука современной химии. С тех пор ученые заполняют пустые графы таблицы Менделеева, сначала открывая, затем создавая все новые и новые элементы. Конечна ли таблица Менделеева? Будет ли открыт когда-нибудь самый последний тяжелый элемент таблицы? Каковы горизонты химии в XXI веке?

Корреспондент: В марте 1869 года Дмитрий Менделеев опубликовал самый первый вариант своей знаменитой таблицы, носившей тогда название "Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве".

Вопреки широко распространенному мифу о том, что она приснилась Менделееву, к созданию таблицы ученого подтолкнула его работа над курсом лекций по общей химии. В процессе работы он столкнулся с трудностями систематизации и изложения материала, описывающего химические элементы. Ученым уже было известно о сходстве некоторых элементов, но ни одна из существовавших на тот момент таблиц не охватывала все известные элементы.

После создания таблицы Дмитрий Менделеев отправил ее в ведущие международные научные журналы и лучшим ученым мира. Схема неоднократно дорабатывалась, пока не приобрела привычный для нас вид.

Это то, из чего состоим мы, все, что нас окружает, и сама Вселенная: десятки химических элементов. 150 лет назад один человек обнаружил в этом, казалось бы, хаосе фундаментальный закон природы.

Сергей Медведев: У нас в гостях Михаил Астахов, заведующий кафедрой физической химии университета МИСиС, доктор химических наук, профессор, и Александр Мажуга, ректор Российского химико-технологического университета имена Менделеева, профессор РАН, доктор химических наук.

Попробуем разобраться с этим мифом. Я лично не вижу противоречия: он увидел таблицу во сне, но ведь он работал над ней, думал о ней не одно десятилетие, а потом приходит интуитивное решение.

Александр Мажуга: Дмитрий Иванович очень любил раскладывать пасьянс. Одна из версий: у него были карточки с химическими элементами, и он, раскладывая их определенным образом, в определенный момент увидел именно закон периодичности - свойства элементов повторяются от того, как они расположены в рядах и периодах.

Сергей Медведев: Как я понимаю, человечество долго шло к этому открытию. Были люди, которые замечали изменение свойств по мере накопления атомной массы.

Михаил Астахов: До Дмитрия Менделеева существовало шесть таблиц. Мейер - единственный, кто очень близко подошел к этой таблице. Мне кажется, он проиграл, потому что не писал учебника по неорганической химии.

Сергей Медведев: Уникальность открытия в том, что это именно периодичность свойств? Он предсказывает свойства неоткрытых элементов.

Александр Мажуга: Конечно, таблица Менделеев — это закон, который показывает, что химические и физические свойства элементов повторяются по мере передвижения по таблице Менделеева с увеличением их атомной массы. На тот момент было 63 химических элемента, у Дмитрия Ивановича были пустые ячейки, неизвестные на тот момент элементы, но с предсказанными свойствами, вплоть до совпадений в величинах атомных масс, плотности и химических свойств.

Сергей Медведев: Все открытые вещества совпали с его предсказаниями?

Александр Мажуга: Алюминий стал галлием через пять лет. Мейер признал, что да, действительно, в этом было величайшее открытие, величайшее понимание закона Дмитрия Ивановича, что ему хватило смелости предсказать новые химические элементы, чего не хватило Мейеру.

Сергей Медведев: Совершенно удивительная вещь: фактически найден тот конструктор "Лего", те кубики, из которых создана материя! Менделеев, грубо говоря, описал устройство материи.

Михаил Астахов: Материи - не знаю, но элементов точно, предсказывая каждый элемент, его валентность и так далее. Были разногласия по поводу валентности, но когда элемент вставал на свое место, было понятно, что это не пять возможностей валентности, а четыре. Когда говорят: изучите свойства новых элементов, - мы можем не изучать эти свойства, а предсказать их, потому что все эти элементы живут микросекунды, максимум - минуты.

Сергей Медведев: В чем сейчас заключается задача химиков? Они один за другим создают сверхтяжелые изотопы, вписывают их в таблицу Менделеева? Это когда-то кончится? Как я понимаю, последний существующий в природе элемент — это был уран. Все, что после урана, создано человеком на установках.

Михаил Астахов: Первый искусственный элемент - технеций – создан в 1937 году. Как хвалятся наши, большая часть новых элементов за 50 лет открыты в Дубне, хотя и совместно с другими учеными – из Японии и Америки.

Сергей Медведев: Есть же элемент дубний.

Александр Мажуга: Шесть элементов названы в честь России.

Сергей Медведев: Открыли уран - и подведена черта: в природе нет больше ничего дальше урана? Даже из глубокого космоса на каком-то астероиде, метеорите не может прилететь какой-то новый элемент?

Александр Мажуга: Мы не говорим, что таблица закрыта.

Сергей Медведев: Она открыта в одном направлении: мы будем создавать все более тяжелые, вниз…

Александр Мажуга: Самое распространенное - ставится уран, начинает бомбардироваться кальцием, определенным изотопом. Дальше за счет слияния происходит увеличение массы, и появляется новый элемент.

Сергей Медведев: То есть, грубо говоря, к ядру прилипают новые протоны?

Александр Мажуга: Если очень грубо, то да.

Сергей Медведев: Эти ядра очень мало живут, миллисекунды, их надо успеть уловить и зарегистрировать?

Михаил Астахов: Они живут по-разному, но поскольку все равно быстро распадаются, с точки зрения химиков они малоинтересны.

Сергей Медведев: Есть некий остров стабильности: пытаться найти количество ядер, на которых они будут жить дольше. Его еще не нашли?

Александр Мажуга: Нашли максимум. Это не про элементы, а про их изотопы. Всего сейчас известно около трех тысяч изотопов. В принципе, в будущем возможно появление новых изотопов, которые будут стабильнее, чем то, что есть сейчас

Михаил Астахов: Физики придумают бомбардировать ядро того или иного элемента и могут получить максимум жизнеспособного элемента.

Сергей Медведев: Это исчерпывает все устройство космоса, то, из чего состоят звезды, солнце? Говорят о темной материи, о черной дыре… Чисто теоретически можно попытаться предположить, что там существуют какие-то другие элементы, другая элементная база?

Михаил Астахов: Тогда будет другая система Менделеева.

Александр Мажуга: Мы как экспериментальные ученые работаем с доказательной базой, с тем, что у нас есть. Пока все, что прилетает и что мы привозим из космоса, попадает в набор элементов таблицы Менделеева.

Сергей Медведев: По мере того, как растет атомная масса, не вступают ли в действие квантовые законы? Как я понимаю, чем тяжелее ядро, тем быстрее вокруг него крутится электрон, приближается к скорости света, и тут-то начинаются совершенно непонятные вещи по Эйнштейну.

Михаил Астахов: В последнее время, когда описывают тяжелые ядра, то уравнение Шредингера должно быть преобразовано, считается по-другому.

Сергей Медведев: То есть атом может быть одновременно в двух местах.

Михаил Астахов: Атом - нет, электрон - да, а атом будет стоять стабильно.

Сергей Медведев: Электрон в супертяжелых ядрах ведет себя, как кот Шредингера, который то ли жив, то ли мертв.

Михаил Астахов

Михаил Астахов: Все известные нам электронные оболочки, структуры… Электрон летает по этим траекториям, и химические связи, соединения - все известно. Но когда перешли к тяжелым, эти же электроны образуют сферу за счет быстрого движения. Это немножко другие свойства.

Сергей Медведев: Новые элементы чем-то удивляют, есть какие-то свойства, которых не ожидали?

Александр Мажуга: Все зависит от свойств и времени. Последний элемент живет 0,6 миллисекунды - этого достаточно для того, чтобы задетектировать его физико-химическим методом, посмотреть его массу. Оганесон — последний элемент 8 периода. Невозможно изучить его свойства. Понятно, что его ничтожно мало, всего десятки, может быть, тысячи атомов, и это невозможно подержать в руках.

Сергей Медведев: А существует теоретическая химия: воображаемый материал, воображаемые элементы?

Михаил Астахов: Химическая теоретика предсказала, что 170 элементов - предел таблицы Менделеева.

Сергей Медведев: А какой открыт сейчас?

Александр Мажуга: 118-й.

Михаил Астахов: Ближайший горизонт гораздо ближе, обещали открыть 130-й элемент в течение XXI века.

Александр Мажуга: У нас было известно 63 элемента; 150 лет с момента открытия - и сейчас у нас 118 элементов. За 150 лет открыли 60 элементов.

Сергей Медведев: Никогда не думал, что в природе что-то может быть настолько конечно: будет найден самый последний тяжелый элемент - и все.

Александр Мажуга: Теоретически рассчитанный предел есть, но он настолько недостижим…

Сергей Медведев: Эти 170 элементов будут в тех же рядах таблицы, в тех же периодах, но все они будут радиоактивны?

Александр Мажуга: Непонятно, но пока - да.

Михаил Астахов: Ни одного стабильного мы не нашли.

Сергей Медведев: Состав Вселенной — это в основном углерод? Какую-то особую мистическую роль играет 4-я группа — кремний, углерод…

Александр Мажуга: Кремний — основа большей части неорганических материалов, а углерод — основа всего живого. Аминокислоты и нуклеиновые кислоты традиционно построены из углерода, водорода, азота и кислорода, это четыре основных элемента. Когда мы переходим к генной информации, там добавляется фосфор. Если говорить о других природных аминокислотах, то это сера. Это ограниченный набор элементов. А самый распространенный - конечно, углерод.

Сергей Медведев: Элементы появлялись по мере эволюции материи, или Вселенная была создана со всей своей периодической таблицей, со всем набором элементов?

Михаил Астахов: Есть бог или нет бога — это приблизительно из этого разряда. В принципе, как утверждают теоретики, тяжелые элементы создавались из достаточно простых элементов.

Сергей Медведев: Есть эволюция элементов, при Большом взрыве был какой-то базовый набор?

Александр Мажуга: Это сложный вопрос, откуда что происходило. Мы знаем, откуда зарождалась жизнь, из каких наборов простейших неорганических соединений, как появлялись первые аминокислоты, как они собирались в простейшие белки, пептиды, как дальше строилась генная информация. А как зарождались сами элементы - это вопрос дискуссионный.

Михаил Астахов: Можно выдвигать гипотезы, но с точки зрения сегодняшнего дня синтезировать мы не можем, пока не получается дойти от атома водорода до урана. Все опыты, которые были поставлены на космической пыли, говорят только об одном: это все те элементы, которые есть в таблице Менделеева.

Сергей Медведев: Что еще раз подтверждает гениальность этого открытия! Мы говорили о синтезе новых элементов в таблице Менделеева, о конструировании новых материалов. Это часть органической и неорганической химии?

Александр Мажуга: Конечно. Сейчас одна из основных задач химиков — создание новых материалов с заданными свойствами. Мы хотим получать новые конструкционные материалы, новые материалы для фармацевтики, для строительства, для электроники с заданными свойствами. Сейчас подходы к этому процессу меняются, мы активно используем цифровые методы для того, чтобы предсказывать и моделировать свойства материалов.

Сергей Медведев: Какие вы можете привести примеры наиболее успешных и широко используемых материалов с программируемыми свойствами?

Александр Мажуга: Большой кластер связан с материалами-сплавами, это сплавы с элементами памяти. Тут очень важно подобрать компоненты, правильно их смешать, приготовить материал и дальше его изучить. Это материалы, которые могут быть использованы абсолютно в разных областях, от медицины до строительства.

Михаил Астахов: Органики синтезируют громадное количество материалов с совершенно новыми свойствами, поскольку органический синтез не ограничен. Неорганика немножко хуже, но, тем не менее, появились нанотрубки, графены.

Сергей Медведев: Всех страшно интересует и интригует графен. Для химиков здесь нет никакой загадки, это одноатомный тонкий слой углерода, просто расщепляется графит. В чем уникальность и футуристичность этого материала?

Михаил Астахов: Это открыли наши физики, хотя говорят, что он был открыт ранее. Более того, есть сведения, что графен нашли в космосе. Это повлекло за собой и другие вещи: если можно сделать графен, почему нельзя сделать такое на основе кремния? Получили такие же трубки.

Сергей Медведев: Я так понимаю, что графен - абсолютный диэлектрик, у него нет переключения, как это может быть на кремнии: он пропускает или не пропускает ток?

Михаил Астахов: Вообще, он хороший проводник. Японцы выяснили, что кремниевые нанотрубки, если их по-разному направлять, могут быть либо металлом, либо полупроводником. С графеном тоже нелегко работать, тем не менее, сейчас усиленно работают: надеюсь, там будут большие успехи.

Сергей Медведев: В чем особенность нанотрубок и наномашин?

Александр Мажуга

Александр Мажуга: Есть много наномашин, нанороботов. Это некие устройства, которые лежат в определенном диапазоне и должны выполнять реальную функцию. Началось это все с полуфантастических исследований, когда была наномашина с четырьмя колесами, которые представляли собой фуллерены, а посередине была лопасть, тоже на основе органического материала. Дальше при помощи облучения вокруг двойной связи машина двигалась по поверхности. Говорят, что эти наномашины могут быть использованы в медицине. Они должны обладать терапевтическим эффектом: попадая в наш организм, достигать пораженных тканей или органов и осуществлять какую-то терапевтическую функцию, высвобождать лекарства, а потом выходить из организма. Есть такое направление - нанохирургия. Даже получили Нобелевскую премию за создание таких наномашин.

Сергей Медведев: В химии есть философский опрос о живой и неживой материи?

Александр Мажуга: Химики пытаются воссоздать какие-то природные процессы. Пример - создание новых катализаторов. В природе есть металлоферменты, природные катализаторы, которые осуществляют определенные химические реакции, вплоть до получения аммиака, превращения оксида азота в нитрат: это очень важные для химической промышленности процессы. Бактерии делают это очень просто, у них есть металлофермент, комнатная температура, нет давления, нет жестких условий, нет ничего. Наши химические процессы делают ту же самую реакцию, но в очень тяжелых условиях — это высокое давление, высокие температуры, присутствие разнообразных катализаторов. Конечно, химики учатся у природы, пытаются создать процесс, который моделировал бы природный и осуществлял такие же функции. Это что-то на стыке химии и биологии. У нас сейчас идет очень много междисциплинарных работ, и самые интересные - именно на стыке разных дисциплин, причем абсолютно непредсказуемых. Разве раньше кто-нибудь мог подумать про органическую электронику? А сейчас это процесс, который работает.

Сергей Медведев: То есть, грубо говоря, можно вырастить микрочип.

Александр Мажуга: Можно создать одномолекулярный проводник, молекулу, которая была бы у вас тем или иным проводником. То же самое с биологическими системами: вы можете в пробирке получить аналог природной системы, которая функционирует так же, как в природе. Это живое или не живое? Тоже скорее философский вопрос.

Михаил Астахов: Чем больше мы познаем мир, тем ближе подходим к живой природе, поскольку у нее надо учиться, учиться и учиться.

Сергей Медведев: То есть в химии на глазах происходит стирание границ органической и неорганической, приближение к живой природе?

Михаил Астахов: Я рассказываю студентам про структурированную окраску, когда животное меняет цвет в зависимости от обстоятельств. Это не окрашивающий пигмент, а структура.

Сергей Медведев: Я думаю, какие-нибудь модники будут гоняться за этой краской для автомобилей.

Михаил Астахов: Более того, пришла на вечер в одном платье, подошла к чему-то - и платье изменило окраску (тем более, что краска нестираема).

Сергей Медведев: Есть какие-то материалы, которые можно назвать живыми? У Сорокина в его антиутопиях очень часто используется живородящая ткань, живые материалы. Химия не приближается к такому?

Александр Мажуга: Есть материалы, которые подсмотрели у всяких ящериц. Почему они прилипают? Посмотрели структуру ворсинок на лапках, сделали химический аналог, материал, который прилипает к чему-то. У меня даже есть снимок из журнала, где человек совершенно спокойно лезет по стеклу за счет этих структур.

Сергей Медведев: Здесь неизбежно возникает философия: учимся у живой природы, возвращаемся в природу. Мне кажется, Менделеев, благодаря своей невероятной энциклопедической мультидисциплинарности, понимал связь всего со всем. И вот парадокс: человек, настолько увенчанный лаврами, одновременно, как я с удивлением прочел, доктор и Кембриджского, и Оксфордского университетов, при этом был заблокирован Российской Академией наук.

Михаил Астахов: Утверждают, что Менделеев тратил на химию всего 10% своего времени. Он увлекался безумным количеством всяких вещей: талант есть талант.

Александр Мажуга: И геологией, и экономикой, воздухоплаванием, и еще множееством разных хобби..

Михаил Астахов: Он придумал состав клея, который помог ему сделать чемодан, и кожа от этого чемодана не отскакивала, как у других.

Сергей Медведев: При этом он занимался общественной деятельностью.

Александр Мажуга: Важно отметить, что таблица Менделеева называется так только в России и в странах постсоветского пространства. Задача этого года для всего химического сообщества - сделать так, чтобы в конце года (закрытие будет в Японии 6 декабря) таблице официально присвоили имя Менделеева.

Сергей Медведев: Его мировое признание наступило буквально в течение года-двух?

Александр Мажуга: Не совсем так. Многие говорят, что это была заслуга Мейера. Сам Мейер говорил, что это заслуга Менделеева.

Сергей Медведев: Есть какая-то международная организация, которая присваивает имена?

Александр Мажуга: Страны выступают с инициативой, а дальше проводят опросы химического сообщества, голосуют и выносят решение - назвать химический элемент так или иначе. Кстати, оганесон — это единственный элемент в таблице Менделеева, названный в честь живущего человека, больше таких примеров нет. Мы надеемся, что в этом году наша страна подаст Юрия Оганесяна вместе с коллегами на Нобелевскую премию за открытие сверхтяжелых элементов.

Сергей Медведев: Российская отрасль в данном случае находится на мировом уровне?

Александр Мажуга: Она задает направление и тон в мировой науке в этой области.

Сергей Медведев: Может быть, вы развеете миф по поводу Менделеева и водки?

Михаил Астахов: Когда Менделееву было девять лет, водка в России уже была именно в такой концентрации. Там шла борьба за плюс-минус два градуса, но единственный момент был: если ты поджигаешь, и она горит, значит, неразбавленная. Менделеев открыл, что плотность этого раствора вода-спирт совершенно другая при концентрации один к трем.

Александр Мажуга: Я думаю, легенда пошла от того, что диссертация Менделеева была посвящена исследованиям раствора спирта с водой: он обнаружил, что уменьшается объем.

Сергей Медведев: Мне кажется, это очень важно в национальном дискурсе как легитимизация русской водки. "Сам Менделеев определил 40 градусов - значит, мы, русские, пьем правильно".

Михаил Астахов: Что во что лить — спирт в воду или воду в спирт? В зависимости от того, что льют, получаются совершенно разные вкусовые качества. Есть портвейны, которые пить невозможно, есть португальский портвейн, сладкое вино с добавкой спирта. Когда спирт добавляют в вино, там образуется очень устойчивый остаток. Понятно, что надо лить воду в спирт, а не спирт в воду.

Сергей Медведев: Какие вы видите горизонты и главные задачи, стоящие перед современной химией на следующие десятилетия?

Александр Мажуга: Это новые материалы и, конечно, новые фармпрепараты. А как это делать — тут можно фантазировать. Это могут быть нанороботы, квантовые технологии для расчетов, материалы с абсолютно необычными свойствами. Еще важный момент - управление на атомарном уровне, мы можем собирать молекулы из атомов. Я думаю, это будущее, и это фантастика!