Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние)

Профессор Б.М.Булычев

Кафедра химии и физики высоких давлений организована в 1954 г. по инициативе видного советского ученого и инженера, одного из создателей технологий синтеза сверхтвердых материалов и различных научных разработок, использующих технику высоких давлений в качестве эффективного метода воздействия на вещество, академика, Героя Социалистического Труда Леонида Федоровича Верещагина, который и руководил кафедрой до 1976 г.

Под его руководством сотрудники кафедры Е.Ф. Фекличев, Я.А. Калашников и И.В. Никольская одними из первых в СССР осущест-вили синтез искусственных алмазов. Во многом благодаря этим работам, проводившимся совместно с Институтом физики высоких давлений АН СССР (ныне ИФВД РАН), в Советском Союзе была создана промышленность синтетических алмазов, которая к середине восьмидесятых годов обеспечивала 30 – 40  % мирового спроса на этот важнейший стратегический материал.

С 1977 г. кафедрой заведует профессор Кирилл Николаевич Семененко, а с 1999 г. профессор Борис Михайлович Булычев.

До начала XX века высокие давления в химии использовались только в исключительных случаях. Широкомасштабное применение техники высоких газовых давлений в химии и химической технологии относится к первым десятилетиям ХХ века и связано с работами Габера по разработке метода синтеза аммиака из элементов и созданию установок для его промышленного производства.

Работы в этой области дали мощный импульс к развитию не только прикладной, но и теоретической химии высокого давления. В частности, было установлено, что любые газы, сжатые до 1000 и более атмосфер, по своей природе настолько отличаются от идеальных газов, что при описания их свойств приходится использовать уравнения для состояния сжатых жидкостей.

Следующий этап в развитии химии высокого давления связан с именем американского физика Бриджмена, который предложил и осуществил новый принцип создания высоких давлений не в газе или в жидкости, а в твердом веществе. В 50-х гг. методики, разработанные Бриджменом, были использованы в Швеции, США и СССР для получения синтетических алмазов из графита в ходе фазового перехода последнего в присутствии металлов-"катализаторов ".

В работах 70-80 гг. впервые была поставлена задача получения и исследования твердых веществ, образующихся и стабильных только при давлениях, превышающих десятки и сотни тысяч атмосфер. Теоретиче-ские и экспериментальные исследования вещества при столь высоких давлениях представляют исключительный интерес не только для решения прикладных задач, связанных с получением новых материалов, прево-сходящих по своим свойствам известные. Не меньшее значение они имеют и для решения фундаментальных проблем, поскольку закономер-ности поведения вещества под давлением в миллионы и десятки миллионов атмосфер - а это условия, которые реально существуют не только в недрах планет Солнечной системы, но и в большинстве объектов дальнего Космоса - позволяют приблизиться к разгадке многих тайн мироздания. К числу наиболее эффектных результатов, иллюстрирующих возможности химии и физики высоких давлений конца XX века, следует отнести работы по металлизации простых веществ при давлениях в сотни тысяч и миллионы атмосфер – фосфора, галогенов, кислорода, инертных газов и, наконец, водорода, который по данным астрофизики присутствует в таком состоянии в недрах Юпитера и Сатурна. На Земле металлический водород в виде мономолекулярных пленок, "намороженных" между кристалликами алмаза, выполняющими функцию наковален, и сжатых до давлений, превышающих 2 млн. атмосфер, был получен в одной из лабораторий США на рубеже 90-х гг.

Для химии вещества, находящегося в условиях высокого сжатия, независимо от способа реализации этих условий, существенно то, что происходит не просто уменьшение объема атомов, особенно заметное в случае тяжелых щелочных металлов и некоторых интерметаллидов, а, начиная с некоторого определенного для каждого типа атомов давления, принципиальная перестройка или инверсия электронных уровней. Для валентных электронов, конфигурация которых определяет химические свойства вещества, энергетически выгодным становится расположение на внутренних электронных уровнях с большими угловыми моментами. Вследствие этого от вещества, находящегося в "сильно сжатом" состоянии, следует ожидать совершенно иных химических свойств, отличных от его свойств при атмосферном давлении. Иными словами, химия в недрах Земли и тем более Сатурна вряд ли будет идентична химии на их поверхности.

Современная структура кафедры, состоящая из трех научно-исследовательских лабораторий, сложилась в середине 80-х гг. и ее появление было обусловлено развитием новых направлений и формулировкой новых проблем в химии, физике и технологии высоких давлений и сопутствующих им областей знания. К числу таких новых направлений в первую очередь относятся направления, связанные:

1. с разработкой методов синтеза и научных основ технологии новых сверхтвердых материалов, по своим технико-эксплуатационным или иным характеристикам превосходящим синтетические алмазы;
2. с исследованиями в области химии углерода, в том числе и в области химии его метастабильных аллотропных модификаций - фуллеренов, углеродных нанотрубок, карбинов и т.д., и разработкой новых углерод-ных материалов на основе терморасширенного и окисленного графита;
3. с исследованиями химических и физико-химических свойств индиви-дуальных веществ, находящихся в сильносжатом состоянии, твердо-фазных реакций в условиях высоких квазигидростатических давлений и гетерогенных реакций "газ-твердое тело" в условиях высоких газовых давлений.
4. с поиском веществ и материалов для обратимого связывания, хранения, транспортировки и последующего использования водорода, рассматриваемого в настоящее время в качестве единственного источ-ника экологически чистого топлива.

Лаборатория "Химии высоких давлений" (зав. лабораторией док. хим. наук, профессор К.Н. Семененко).

Состояние вещества определяется температурой, при которой это вещество находится, и степенью его сжатия. Высокие степени сжатия могут быть достигнуты либо под действием внешнего источника высокого давления, например пресса, или за счет химической реакции, протека-ющей со значительным уменьшением объема - реакции химического сжатия. Оба приема широко используются в научной деятельности лаборатории.

Основное направление исследований лаборатории связано с изучением кинетики, термодинамики и механизма внедрения водорода в металлы, интерметаллиды и сплавы под давлением до 2 Кбар, и опре-делением структуры вещества прямыми методами. Одна из наиболее фундаментальных целей этой работы заключается в объяснении природы связи М–Н в металлических гидридах, другая связана с поиском гидридных соединений, в том числе и метастабильных при нормальном давлении, с максимально возможным для данного структурного типа содержанием водорода.

Второе направление исследований связано с изучением физиче-ских и химических свойств относительно нового класса объектов - наноструктур, построенных из атомов углерода, в частности фуллеренов, многостенных углеродных трубок и волокон в условиях сильного сжатия. Использование техники высоких давлений для интеркаляции металлов в углеродные матрицы позволяет получать материалы с необычайно боль-шим содержанием интеркалята, находящегося в межслоевом пространстве или соответствующих пустотах решетки матрицы в условиях т.н. "химического сжатия"; эти материалы могут найти применение в качестве электродов в батареях и аккумуляторах. С другой стороны, изучение самих углеродных матриц в условиях сильного сжатия позволяет опреде-лить их геометрическое и электронное строение, механические свойства и предложить технологию их использования в качестве материалов в наноэлектронике и производстве высокопрочных композитов.

Проблема синтеза сверхтвердых материалов с физико-механи-ческими и эксплуатационными свойствами, превосходящими свойства алмаза, до настоящего времени остается одной их актуальнейших задач материаловедения. Эта задача решается в лаборатории путем разработки новых технологий синтеза кубического нитрида бора - неорганического аналога алмаза - с использованием комплексных борнитридов металлов I и II групп в качестве катализаторов и путем термобарической кристал-лизации нитрида углерода. Определение структуры образующихся про-межуточных и конечных продуктов, изучение механизма превращения позволяют на основании этих данных оптимизировать процесс в целом.

Лаборатория "Химии углеродных материалов" (зав. лабора-торией док. хим. наук В.В. Авдеев)

Основное направление научной деятельности лаборатории связа-но с синтезом и исследованиями физико-химических свойств интер-калированных углеродных матриц: природного графита, пироуглерода, пиролитического графита, углеродных волокон, фуллеренов и др. Интерес к этим соединениям вызван возможностью создания на их основе синтетических металлов с электропроводностью на уровне меди, поиском низкоразмерных высокотемпературных сверхпроводников с нефононным механизмом сверхпроводимости, использованием их в качестве электро-дов в химических источниках тока, монохроматоров низкоэнергетических нейтронов, катализаторов различных химических реакций.

Большое внимание в работах лаборатории уделяется созданию новых углеродных материалов из интеркалированных соединений графита: окисленного графита, активных огнезащитных материалов, высокоемких адсоробентов для очистки воды от нефтепродуктов, высокотемпературных теплоизоляторов и т.д.

Сотрудниками лаборатории разработаны научные основы технологии терморасширенного графита, получаемого термической деструкцией интеркалированных соединений графита акцепторного типа и гетероинтеркалированных соединений. Из терморасширенного графита путем его прокатки получают гибкую графитовую фольгу с уникальными химическими, физическими свойствами. Эти материалы в настоящее время уже находят широкое применение в качестве уплотнений на многочисленных предприятиях топливно-энергетического комплекса России, нефтехимической, авиационной, автомобильной промышленности и в других областях народного хозяйства.

Лаборатория "Энергоемких и каталитически активных ве-ществ" (зав. лабораторией док. хим. наук, профессор Б.М. Булычев)

Сотрудниками лаборатории решается несколько фундаменталь-ных и прикладных задач. Среди них следует отметить работы, связанные с проведением и диагностикой твердофазных обменных реакций, реакций восстановления и реакций внедрения (интеркалирования) с участием или получением метастабильных или термодинамически нестабильных веществ в условиях высоких давлений. Таким способом получают самые различные классы соединений - соединения фуллеренов и карбинов с различными переходными и непереходными металлами, обладающие интересными, в том числе и сверхпроводящими свойствами, бинарные гидриды легких непереходных металлов, некоторые тернарные гидриды, гидриды интерметаллидов и сплавов - веществ, содержащих водород в энергонасыщенном и связанном состоянии, но удобном для последу-ющего использования, например в качестве горючего компонента различных топлив.

Исследование реакций "газ-твердое тело", проводящихся при умеренных и высоких давлениях водорода, относится к традиционному направлению научной деятельности лаборатории. Эти работы привели к созданию обратимо действующих аккумуляторов водорода и их практи-ческому использованию в устройствах его глубокой очистки, в полупро-водниковых технологиях и в качестве контейнеров-носителей связанного топлива с содержанием водорода в единице объеме в 1.5 – 2.5 раза большим, чем в жидком или твердом состояниях.

Весьма перспективным является направление, связанное с поис-ком материалов для хранения водорода на основе матриц из метастабильных аллотропных модификаций углерода, углеродных нанотрубок и пиролитических остатков.

Работы в области синтеза, определения строения би- и поли-ядерных гомо- и гетерометаллических гидридных и алкильных комплек-сов переходных металлов в конденсированном состоянии и растворах и тестирования их каталитических свойств в реакциях полимеризации или гидрирования олефинов направлены на выяснение механизма катали-тического действия этих соединений и установления корреляций "структура–свойство".

В настоящее время на кафедре работает 35 сотрудников (4 доктора и 20 кандидатов наук).

Для студентов, аспирантов и соискателей на кафедре читаются три спецкурса: "Основы физики и химии твердого тела" (доцент С.Г. Ионов), "Химия высоких давлений" (профессор К.Н. Семененко) и "Избранные главы неорганической химии" (профессор Б.М. Булычев).

[ Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние) ]