Поиск на сайте

 

 

Практически все аспекты нашей жизни предопределены на молекулярном уровне, и потому без понимания, как устроены молекулы, мы едва ли сможем понять, как устроена жизнь.Фрэнсис Крик (1916-2004), британский биолог, лауреат Нобелевской премии по медицине (1962).

 

Кристальная ясность бытия

 
«Терра инкогнита» - неизвестной землёй продолжает оставаться для широкой
публики  кристаллография - раздел науки, приложивший  «руку» к 29 Нобелевским премиям в области химии, физики и медицины
 
Пару лет назад на очередной сессии Генеральной ассамблеи ООН было принято решение объявить нынешний 2014 год Международным годом кристаллографии. Подобное внимание к науке о кристаллах со стороны главного совещательного органа Организации Объединенных Наций отнюдь не случайно.
На сегодняшний день ученым известны кристаллические структуры примерно 700 тыс. различных веществ (сплавы, минералы, протеины и т.д.). В 99% всех случаев лишь благодаря кристаллографии удалось определить строение этих соединений в твердом состоянии, то есть точно установить порядок, в котором соединяются между собой отдельные атомы или молекулы.
Данная информация особенно важна, поскольку именно строением вещества определяются его свойства. Классический пример этого, известный всем со школьных времен, - пара «алмаз - графит».
Будучи совершенно одинаковыми с точки зрения химического состава (чистый углерод), оба минерала обладают разной кристаллической структурой и, как следствие, существенно различаются по своим физико-механическим характеристикам (твердость, тепло/электропроводность и т.д.).
Как подчеркивается в резолюции Генассамблеи ООН, в то время как кристаллография «причастна» к разработке всех новых материалов - от компонентов лекарств и зубных паст до перспективных аэрокосмических сплавов и электропроводящих полимеров, широкая публика почти ничего не знает о роли этой науки в нашей жизни.
Информировать общество о достижениях кристаллографии, укрепить сотрудничество ученых разных стран и пробудить интерес молодых людей к науке и научной карьере – такими видятся организаторам основные цели и задачи Международного года кристаллографии, в котором принимают участие свыше 50 стран мира, включая Россию.
Подставить плечо ООН готова и «Открытая», предложив своим читателям небольшой обзор прошлого и настоящего кристаллографической науки.
 
Докопаться до сути
 
Прикладная, практически значимая кристаллография своим существованием обязана немецкому и английским физикам - Максу фон Лауэ (1879-1960) и отцу и сыну Уильяму Генри (1862-1942) и Уильяму Лоуренсу (1890-1971) Брэггам.
В 1912 году доцент Мюнхенского университета фон Лауэ первым наблюдал, но не смог интерпретировать дифракцию (рассеивание) рентгеновских лучей при прохождении ими кристаллов медного купороса.
Годом позже объяснение этому явлению дали англичане, предложив, кроме того, простую формулу (закон Брэгга), позволявшую рассчитать положение атомов в кристалле по наблюдаемой дифракционной картине.
Данные работы немецкого и английских ученых заложили основы рентгеноструктурного анализа (РСА), ставшего сегодня, пожалуй, самым распространенным и надежным методом расшифровки структуры твердых тел.
Алмаз и поваренная соль были одними из первых веществ, строение которых определил семейный дуэт Брэггов, однако вплоть до недавнего времени подобные расчеты остались весьма трудоемким занятием.
Тем не менее в период между 1920-1970 годами структуры весьма сложных биологических молекул, состоящих из сотен и порой тысяч атомов, были определены благодаря рентгеноструктурному анализу: холестерин (1937), пенициллин (1946), витамин В12 (1956), инсулин (1969) - лишь некоторые из них.
Меж тем самим «отцам-основателям» кристаллографии Максу фон Лауэ и отцу и сыну Брэггам ждать признания со стороны международного научного сообщества долго не пришлось – их работы были отмечены Нобелевскими премиями в области физики за 1914 и 1915 годы соответственно.
При этом Брэгга-младшего известие застало в окопах Первой мировой войны. Став обладателем престижной награды будучи всего 25 лет от роду, Уильям Лоуренс Брэгг по сей день остается самым молодым Нобелевским лауреатом за более чем 100-летнюю историю существования этой премии.
 
Кристально ясно
 
С развитием технологий аппаратные возможности приборов рентгеноструктурного анализа (рентгеновских дифрактомеров) возросли многократно. За одно утро ученый сегодня может проделать такой объем работы, какой всего 30-40 лет назад потребовал бы от него недель и даже месяцев корпения в лаборатории. В то же время физические основы этого метода довольно просты и понятны. Для начала напомним, что не все твердые вещества являются кристаллами.
Таковыми могут считаться лишь те твердые тела, структура которых подразумевает периодичность. Другими словами, кристаллы устроены таким образом, что в них всегда можно «вычленить» некий «кирпичик» - кристаллическую ячейку, «размножение» которой во все стороны ведет к регулярно устроенной, полностью предсказуемой трехмерной конструкции, называемой кристаллической решеткой.
Только в этом случае являющееся электромагнитной волной рентгеновское излучение, проходя сквозь подобный «строительный лес», будет рассеиваться не случайным, как в аморфных телах, а строго определенным образом.
Данное явление (дифракция) происходит на «узловых» точках кристаллической решетки, коими являются атомы исследуемого соединения, а точнее, их электронные плотности. Таким образом, зная законы волновой оптики и имея перед глазами картину дифракционного рассеивания, вполне возможно рассчитать, как располагаются в кристалле атомы, «ответственные» за наблюдаемую дифрактограмму (дифракционную картину). А отсюда уже и рукой подать до установления строения и кристаллической структуры исследуемого вещества.
 
Дела семейные
 
Проведение рентгеноструктурного анализа в его классическом варианте в целом не представляет особых трудностей. Образец исследуемого вещества (кристалл размером примерно 0,1 мм) закрепляют на специальном, вращающемся под разными углами, держателе, а затем облучают потоком рентгеновских лучей, фиксируя возникающую при этом дифракционную картину детектором.
Весь процесс, в зависимости от качества кристалла, его природы, рабочих характеристик прибора, занимает от пары минут до нескольких часов. В то же время научные изыскания и многочисленные технические усовершенствования дали ученым возможность исследовать образцы при различных температуре и давлении, в режиме реального времени фиксировать происходящие в них изменения, работать с веществами, неустойчивыми на воздухе, и извлекать данные из самых крошечных (тоньше человеческого волоса) кристаллов.
Кроме того, возможности РСА существенно расширило появление смежных, «родственных» методов, той же порошковой дифрактометрии, нейтронографии, метода малоуглового рентгеновского рассеивания.
Как результат, зародившийся столетие назад рентгеноструктурный анализ сегодня является одним из наиболее ценных и универсальных неразрушающих способов изучения материи, от жидкостей и газов до порошков и кристаллов.
Можно без преувеличения утверждать, что создание и разработка практически всех новых материалов были бы сегодня невозможны, не будь в распоряжении ученых этого «семейства» надежных и информативных аналитических методов.
В свете этого не кажется уже удивительным, что исследования 45 нобелевских лауретов так или иначе связаны с кристаллографией и рентгеноструктурным анализом.
 
Александр ЛЕОНТЬЕВ


Поделитесь в соц сетях


Добавить комментарий