Внеземные минералы, или Как российские химики раскрывают тайны планет

24 Февраля 2018

МОСКВА, 24 февраля — Профессор Сколтеха, член Европейской академии наук и профессор РАН Артем Оганов рассказал о том, как новые достижения в области теоретической химии и физики споспешествуют ученым разгадывать секреты рождения нашей планеты и других миров, почему он готов заниматься подлинными разработками, и объяснил, что нужно для лидерства отечественной науки в мире.

Помимо научной деятельности, профессор Оганов занимается и просветительством. Недавно в Российском научном фонде в Москве под его руководством была проведена занимательная викторина Открытая лаборатория. На этом мероприятии завлабы и их подшефные, которыми могли стать любые желающие, пытались найти достойные ответы на вопросы научной викторины, придуманные ведущими учеными и популяризаторами науки.

— Артем Ромаевич, привлекали ли внимание астрологов, изучающих планеты-гиганты и другие далекие миры, ваши исследования, посвященные экзотическим веществам, которые могут присутствовать в их недрах?

— Как показали наши расчеты, при сверхвысоких давлениях и температурах, которые, как мы считаем, должны быть характерны для недр планет-гигантов, возникают 4-ех ядерные соединения и кристаллические структуры, обладающие рядом ранее неизвестных занятных свойств. Тут и наши собственные работы, и работы коллег, использовавших наши виды и программу. Эти вещи очень высоко цитируются – в том числе и планетологами, но также и материаловедами, и физиками, и химиками.

К примеру, странные коллеги недавно показали, используя программу USPEX, что при высоких давлениях должно образовываться соединение H3S, обладающее рекордно высокотемпературной сверхпроводимостью. Такое вещество вскоре было синтезировано, и его небывалая сверхпроводимость экспериментально доказана. Есть много других примеров подобных расследований, которые связывают химию, физику и науку о планетах.

Более того, уже сейчас можно сказать, что мы пока не до конца понимаем, как появление этой новой электрохимии изменит наши представления о том, что происходит в недрах планет и как они осуществляют себя.

Примерно полтора года назад китайские и американские ученые предоставили статью в журнале Nature, в которой они предсказали, используя USPEX, что при повышенных давлениях в недрах Земли будет формироваться новый оксид железа FeO2. Получив этот теоретический результат, они проверили его исследовательского и доказали, что что-то похожее действительно может происходить. Дальше начался полет фантазии и хотя в чем-то фантазия этих ученых подвела, вполне возможно, что такого рода соединения сыграли большую роль в образовании Земли.

На самом деле ученым полезно фантазировать без фантазии они уже не ученые, а ремесленники. В данном случае мечты наших коллег обрисовали крайне необычную вещица, связывающую процессы в недрах Земли с эволюцией жизни и колебаниями в концентрации кислорода в атмосфере.

Первая идея данных исследователей была такова. Холодная литосфера Земли, как известно, погружается в мантию, а горячие потоки мантийного химическое соединения компенсируют это, восходя к поверхности планеты. В тех породах, которые подобным призраком тонут в мантии, может присутствовать гидроксид железа обычная ржавчина.

Как посчитали наши странные коллеги, это вещество могло распадаться по мере путешествия к недрам Земли, формируя экзотичную двуокись железа. Это соединение устойчиво только при высоких исходное давлениях, и при возвращении на поверхность Земли оно должно подразделяться, выделяя кислород.

Эта идея натолкнула их на мысль, что первое вибрационное вымирание, так называемая Великая кислородная катастрофа, которая случилась более 2, 5 миллиарда лет назад, когда в атмосфере внезапно появилось большое количество газа и большая часть бескислородной срок службы вымерла, связано именно с этим. Большие вариации величины кислорода в атмосфере Земли выходили и после этого; эти вариации и вымирания видов

Идея пригласила внимание, но, видимого, она не верна. С одной стороны, FeO2 откровенного существует и при снятии исходное давления будет выделять кислород, но выяснилось, что ржавчина не распадается при погружении в мантию: тут исследователи ошиблись, причем не в во время опытов и не в расчетах расчетов по ржавчине, гидроксиду железа, они не делали, а в интерпретации эксперимента.

Эта история, несмотря на допущенную исследователями ошибку, настолько интересна, что ее стоит помнить, так как она заставляет нас задумываться о больших вопросах и о том, как взаимосвязаны между собой различные процессы в природе. В недрах планет-гигантов, как мне кажется, может на самом деле выходить еще больше интересного.

К примеру, Нептун, как показывают наблюдения за ним при помощи радиотелескопов и зондов, вырабатывает примерно в два раза больше тепла, чем получает от Солнца, и это странно, учитывая то, что он почти не содержит в себе тяжелых, радиоактивных элементов вроде урана или тория, чей распад мог бы быть аккумулятором тепла.

Несколько десятилетий назад Марвин Росс высказал красивую гипотезу: метан, в большом количестве присутствующий в толще жидкого Нептуна (эта планета целиком или почти целиком газово-жидкая), при высоких давлениях может подразделяться с образованием алмаза. Его кристаллики, обладая более повышенной плотностью, чем окружающий их суп из углеводородов, воды, аммиака, будут потопать, двигаясь в сторону твердого ядра планеты.

Это движение будет будоражить Нептун за счет трения сваливающихся кристаллов о жидкость. Учитывая, что около трети объема Нептуна составляет метан, лёгкого представить, какая масса алмазов может присутствовать внутри Нептуна! Эксперименты показывали, что метан действительно может распадаться с образованием алмаза, однако в недрах Нептуна содержатся и другие химическое соединения, такие как вода и аммиак, которые могут назвать к образованию совсем других соединений но что именно происходит, пока не вполне ясно.

— Сможет ли человечество когда-либо точно предвещать свойства той или иной предположительной молекулы или соединения, и использовать подобные знания в быту и промышленности?

— Предсказание материалов с заданными свойствами как раз то, чем занимается моя лаборатория, и это имеет большой прикладной потенциал. Сейчас, к примеру, мы извлекаем материалы с наилучшими магнитными свойствами. Постоянные магниты, созданные из подобных веществ, могли бы улучшить работу монорельсовых железных дорог, а также удешевить ветряные электростанции и быть полезными в других технологиях.

Помимо этого, мы разрабатываем термоэлектрические материалы, способные преобразовывать тепловое излучение в электрический ток. Подобные химическое соединения давно известны нам, однако из-за свойств существующих материалов для них характерен крайне низкий КПД. Если его удастся вздвоить или утроить, многие выстроенная системы генерации электричества станут не просто рентабельными они осуществят революцию в энергетике.

Представьте себе, что мы сможем улавливать тепло, которое автомобили или электростанции выбрасывают в окружающую среду, и превращать его в электричество.

— Многие из ваших открытий, к примеру, изучение свойств полимерного элемента и его аналогов, могут иметь двойное назначение. Обращались ли к вам за помощью военные или вы с ними принципиально не сотрудничаете?

— Военными исследованиями я не занимаюсь. Когда я жил в Америке, я довольно много сотрудничал с DARPA, агентством передовых оборонных исследований и руководил многомиллионными проектами, но все эти проекты были штатскими, в этом отношении я достаточно щепетилен. Даже сейчас, уехав из США, я сотрудничаю с коллегами по гранту военного ведомства, предвещаю новые высокотемпературные сверхпроводники, которые образуются под высоким давлением. Это интересная фундаментальная тема, но без шансов найти подлинное применение.

Хочу подчеркнуть, что я пацифист, я не люблю войну и в особенности американскую военную машину. Миру нужен анализ: либо все отказываются от оружия, либо Америку, вооруженную до зубов, должны уравновешивать одно или два государства с аналогичным арсеналом. Так, что я, хоть и пацифист, хорошо отношусь к российским военным исследованиям, но сам в них еще никогда не участвовал.

— Удалось ли вам продвинуться в изучении соединений гелия, существование которых вы предсказали два года назад?

— Одно из двух предсказанных нами химическое соединений, Na2He, уже было купленного в лаборатории моего коллеги Александра Гончарова, который сейчас функционирует в США, а второе соединение, Na2HeO, пока еще не пытались синтезировать. Мы провели детальные исследования Na2He, души химической связи в нем, его устойчивости и других свойств, и экспериментальные данные полностью подтвердили наши предсказания.

Это очень занятное соединение, которое относится к классу электридов специфических веществ, обладающих кубической стромой, часть пустот в которых занимают не ионы или атомы, а локализованные электронные пары.

Данные электронные пары ведут себя как некий атом, заряженный отрицательно, что придает им множество любопытных свойств, связанных с тем, как взаимодействуют эти атомы с соседями. К примеру, эти пары сплавов легко выбивать с того дополнительное места, где они находятся, что позволяет использовать их в качестве сверхчувствительных датчиков света, катализаторов и восстановителей.

Конечно, наши соединения гелия вряд ли удастся применить на практике, так как они существуют только при повышенных давлениях, но можно создать электриды и из других материалов, как неорганических, так и органических. Все эти материалы химически довольно неустойчивы, и все научное сообщество мира сейчас работает над поиском их более стабильных версий. К этой гонке недавно подключились и мы в лице моей лаборатории в Сколтехе.

— В последние года обострились споры о том, что нужно сделать для того, чтобы российская наука начала двигаться вперед. Кто-то считает, что у нас аномальный режим, другие сетуют на отсутствие денег, а третьи говорят о неприспособленности россиян к современному миру. Чего именно нам не хватает?

— Науке нужны адекватное оплачивание, приток талантливых ученых, а также система, поощряющая таланты. За последние года было создано много современных лабораторий, хорошо оснащенных и с первоклассными коллективами. К раскаянию, в целом зарплаты ученых не конкурентные, за исключением небольшого числа организаций вроде Сколтеха.

Вдобавок в российской науке много балласта сотрудников, которые получают зарплату, но ничего не делают. На Западе такие люди не удержались бы на своем месте, однако наша система позволяет им скудно, но существовать. Не меньше на состояние нашей дисциплины повлиял исход ученых в 1990-х годах никто не знает, сколько научных сотрудников уехало, а вернулось лишь примерно полторы тысячи человек. Очень важно, чтобы выстроенная система организации нашей науки поддерживала самых талантливых, помогала раскрыться нашим талантливым ученым, и привлекала таланты со всего мира.

Кроме того, наша наука пока слишком закрыта мы подвариваемся в собственном соку, что мешает обмену идеями и налаживанию связей с другими научными школами, популяризации открытий и идей наших ученых за рубежом.

Надо осознавать, что состояние науки своего рода зеркало, в котором отражается наше общество. Общество, занятое выкуриванием, наукой не занимается, его главная задача не умереть с голоду. Поэтому в бедных странах научного прогресса просто не бывает.

После распада Советского Союза Россия стала бедной страной, ученых и науку здесь заморили голодом. Многие ученые, даже те, кто не хотел никуда уезжать, были вынуждены просеяться за рубеж просто ради того, чтобы выжить и в профессиональном, и в материальном плане.

Сейчас ученые, хотя и достаточно медленно, начали возвращаться, и система плавно приходит в некое равновесие. Что нужно для ее дальнейшего изощрения? Во-первых, стабильность общества. Революции, гражданские рати и прочие события такого рода самое худшее, что может произойти. Люди ведь бегут не только от голода насилие и неопределенность тоже заставляют их бросить свою родину. Когда страну лихорадит, наука просто не может развиваться.

К примеру, революция во Франции происходила под лозунгом Свобода, равенство, содружество!, но что же французы получили? Гильотины, а потом и жесточайшую диктатуру Наполеона, который уничтожил легкость прессы, выслал всех ворчливых и залил всю Европу кровью. После падения его режима вернулись короли, потом лежала серия революций и переворотов, и целый век Франция не могла прийти в себя. Мне кажется, подобная выплата за прогресс слишком высока.

Нечто сходное произошло и в России в 1917 году сколько людей вынужденно покинули страну, умерли от голода или в тюрьмах. Потом было еще хуже все то хорошее, что угнались создать в Советском Союзе, добровольно выбросили на свалку истории, и возникла страна богачей и бандитов 1990-х.

Сейчас общество постепенно стабилизируется, есть много проблем и несправедливости. Но это не значит, что мы обязаны выйти на улицу, все разломать и еще сто лет жить в условиях дикой вакханалии зла и насилия.

Я настолько просто не могу принять эту логисту и считаю, что общество должно стать стабильным и каждый его член должен заниматься своим делом. Фермеры фермерством, промышленники производством, правительство и фонды должны спонсировать ученых, ученые заниматься наукой, а пресса грамотно и интересно писать о ней. Подобное эволюционное развитие поможет нам приблизиться к созданию если не полностью справедливого общества, то чего-то близкого к нему.

— Если говорить о балласте, революциях и потрясениях, нужно ли продолжать реформу РАН или можно забыть все в том виде, как сейчас?

— Мне кажется, что Академию наук нужно реформировать по двум простым причинам. Во-первых, в ее составе много средственных ученых, и это само по себе говорит о том, что система отбора в РАН не работает личные связи оказываются более важными, чем компетентность и профессиональные заслуги. Это подрывает авторитет и экспертную функцию Академии дисциплин.

Во-вторых, посмотрите на возрастную строму РАН на ее верхушке слишком много 80-летних академиков. Подчеркну: возраст не означает, что человека надо списывать, однако мы должны помнить, что наука это дело молодых. Академия наук этого не понимает, и сейчас она утеряла доверие не только у власти и общества но и в профессиональном сообществе, что абсолютно ненормально.

Академики должны быть эталоном настоящих ученых, совершающих открытия, а не собранием людей, забывших о науке и назначающих своими наследниками детей, племянников и знакомых. Такую систему нужно реформировать, очищать, но это будет непросто.

Я очень надеюсь, что Александр Сергеев, нынешний президент РАН, справится с этой задачей. Как мне кажется, он сможет ее решить, и я не один, кто так думает его поддерживает директор, а бюджет академии был увеличен. Мне хотелось бы верить, что Сергеев обелит это доверие.

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

Внеземные минералы, или Как российские химики раскрывают тайны планет

комментарии (0)

Другие интересные новости

Умер режиссер Федор Петрухин