Алмазная наковальня, азотная жизнь на Уране и материалы для Марса: как работают чудеса современной химии
Фото: Galyna Andrushko/Shutterstock/Fotodom
Могут ли существовать неуглеродные формы жизни? Откуда взялись океаны воды на Земле? Как ученые научились предсказывать свойства новых еще не открытых элементов и соединений?
Эти и другие темы в программе «Время науки» на радио «Комсомольская правда» (97,2 FM) обсуждали:
— радиожурналист Мария Баченина,
— академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ),
— их гость — профессор РАН Артем Оганов, химик, материаловед, специалист в области кристаллографии, заслуженный профессор Сколтеха, научный руководитель СберУниверситета.
Академик РАН Александр Сергеев, радиожурналист Мария Баченина и гость радиопередачи "Время науки" химик, материаловед профессор РАН Артем Оганов
Фото: Иван МАКЕЕВ. Перейти в Фотобанк КП
НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: ОТ ГАДАНИЯ НА ПРОБИРКАХ К КОМПЬЮТЕРНОМУ ПРЕДСКАЗАНИЮ
Александр Сергеев:
— Величие теории Менделеева в том, что созданная им периодическая система позволила предсказать новые химические элементы, которые потом были открыты физически. А химия сегодняшнего дня — что она предсказывает и каким образом?
Артем Оганов:
— Предсказание новых химических элементов — это все ещё горячая тема. Мы знаем, где они будут находиться в таблице Менделеева, к какой группе, к какому периоду они относятся. И исходя из этого, можем ожидать каких-то свойств. Квантовая механика позволяет нам предсказать эти свойства на компьютере еще до того, как новые элементы будут получены…
Александр Сергеев:
— У Менделеева компьютеров не было.
Артем Оганов:
— Не было. Кроме того, он вообще не знал и не мог знать, почему работает периодический закон. Он думал, что это связано с гравитационными взаимодействиями, с массой. Сейчас мы понимаем, что это совершенно не так — речь идет об оболочной электронной структуре атома и заполнении этих оболочек. А сама оболочная структура происходит из квантовой механики, принципа Паули и других принципов, о которых при Менделееве никто не слышал. Это как раз самое интересное: человек открыл великий закон, продемонстрировал, как он работает, а почему он работает — тогда никто не понимал, в том числе и Дмитрий Иванович.
Александр Сергеев:
— То есть сегодня с помощью квантовой механики можно предсказывать структуру электронных оболочек новых элементов?
Артем Оганов:
— Да. Причём для электронов в сверхтяжелых элементах становятся важны и эффекты теории относительности, которые могут приводить к нарушению периодического закона, и это тоже можно предсказать. И мы можем предсказать не только новые еще не открытые сверхтяжелые элементы, но и то, как получить новые интересные соединения уже известных нам элементов: какие молекулы они могут образовывать, какие кристаллы. И знаете, что удивительно? Мы обладаем солидным научным инструментарием уже, наверное, полтора века. И тем не менее продолжаем открывать новые химические соединения в огромном количестве.
Александр Сергеев:
— Вследствие ваших предсказаний?
Артем Оганов:
— В том числе и моих.
Мария Баченина:
— Означает ли это, что раньше новые материалы открывали методом проб и ошибок, а сегодня мы можем прийти к химику и «заказать» соединения с необходимыми свойствами, например, сверхпроводящее или сверхпрочное?
Артем Оганов:
— Да , и это происходит уже сейчас. В тех случаях, когда предсказание целевого свойства не слишком дорого с точки зрения вычислительных мощностей, вы можете это делать уже сегодня. Если свойство какое-то уж слишком сложное, придется немного подождать.
Профессор РАН Артем Оганов в студии Радио "Комсомольская правда"
Фото: Иван МАКЕЕВ. Перейти в Фотобанк КП
НЕЙРОСЕТЬ В РОЛИ АЛЕКСАНДРА МАКЕДОНСКОГО
Александр Сергеев:
— А такое свойство, как радиационная стойкость материалов в условиях Марса — это очень сложно?
Артем Оганов:
— И да, и нет. Радиационная стойкость — это свойство крайне сложное, потому что там несколько эффектов. Например, один из эффектов состоит в том, что, когда нейтроны бомбардируют сталь, они сливаются с ядрами тех элементов, из которых состоит сталь. Происходят ядерные реакции, в результате которых может образовываться альфа-частица, то есть ядро атома гелия.
Атомы гелия собираются вместе, образуют пузырьки и начинают эту сталь распирать. И это только один из процессов, который там возникает. В том числе и потому что сталь — сложный объект, там есть фазы с разной кристаллической структурой, с разным составом. Но эта задача очень важна, потому что, если вы сможете создать радиационно-стойкие материалы — прежде всего ту же сталь, — то срок эксплуатации атомной электростанции можно значительно увеличить. И мой ученик Иван Круглов, который руководит лабораторией компьютерного дизайна материалов на Физтехе — очень талантливый и замечательный молодой ученый — сумел эту головоломку решить. Вместе с коллегами из Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Духова он натренировал модель машинного обучения и смог предсказать новые марки стали, которые обладают повышенной радиационной стойкостью, прочностью и прочими полезными свойствами.
Александр Сергеев:
— И дальше это проверяется на эксперименте?
Артем Оганов:
— Да, и вполне успешно. Но я в первую очередь хочу обратить внимание на очень важную и новую штуку, которая сейчас происходит в науке. Там, где у вас нет возможности идти привычным для теоретика путем — создать хитрую модель, основанную на умных уравнениях и законах природы, — там работает машинное обучение. Оно, как меч Александра Македонского, который разрубил гордиев узел. В применении к науке это проблема, распутать которую не под силу никакому уму. А с помощью нейросети найти решение становится возможным.
Профессор РАН Артем Оганов в студии Радио "Комсомольская правда"
Фото: Иван МАКЕЕВ. Перейти в Фотобанк КП
УНИВЕРСАЛЬНА ЛИ ВО ВСЕЛЕННОЙ ТАБЛИЦА МЕНДЕЛЕЕВА?
Александр Сергеев:
— Мы на Земле живем в одних условиях — сила тяжести, атмосферное давление, температура и т.д. На Марсе, на других планетах условия совсем иные. Значит ли это, что периодическая таблица Менделеева, которая универсальна для всей Вселенной, на разных планетах будет выглядеть по-разному?
Артем Оганов:
— Очень интересный вопрос! Я как раз достаточно долгое время занимался этой темой. Мы знаем, что химические свойства элементов очень сильно меняются под давлением. Например, кислород становится металлом при давлении чуть меньше миллиона атмосфер. И более того, кислород становится сверхпроводником. И таких иллюстраций множество.
Александр Сергеев:
— Наверное, надо сказать, что атомы кислорода остаются теми же самыми, но под давлением состояние вещества, которое состоит из одних и тех же кирпичиков, будет обладать другими физическими и химическими свойствами?
Артем Оганов:
— Абсолютно верно. Когда вы сжимаете материю, плотность распределения электронов в районе атома увеличивается, это может привести к изменению заполнения электронных оболочек, эти оболочки могут перекрываться, и тогда появляется металлический кислород. И из водорода тоже можно сделать металлический водород, который, кстати, должен быть великолепным сверхпроводником. А натрий под давлением перестает быть металлом и становится прозрачным диэлектриком. Когда мы это предсказали, нам вообще никто не верил! Экспериментаторы, которых я попросил проверить эту гипотезу, решили, что мы сошли с ума.
Александр Сергеев:
— Какие давления для этого нужны?
Артем Оганов:
— Два миллиона атмосфер. С одной стороны — много, с другой — давление в центре Земли почти четыре миллиона атмосфер. Это здесь у нас под ногами, даже не нужно в звезды залезать.
Александр Сергеев:
— В лабораториях такие показатели достижимы?
Артем Оганов:
— Абсолютно. В алмазных наковальнях статические давления достигают уже свыше 9 миллионов атмосфер. А что касается динамического давления, то в ударных волнах абсолютным рекордсменом много десятилетий является отечественная наука — в 1960-е годы был поставлен рекорд, к которому до сих пор никто даже близко не может подойти: миллиард триста миллионов атмосфер.
Фото: Иван МАКЕЕВ. Перейти в Фотобанк КП
Мария Баченина:
— А что такое алмазная наковальня?
Артем Оганов:
— Алгоритм такой: пока жена спит, берете два алмазных колечка, извлекаете оттуда ограненные алмазы с плоской вершиной. Между этими плоскими вершинами алмазов — а они должны быть очень маленького диаметра, порядка десятков микрон — помещаете тонкую металлическую фольгу. В ней отверстие такого же диаметра, и в это отверстие под микроскопом загружаете нужный образец. А кроме него загружаете еще жидкий аргон или гелий, чтобы давление было гидростатическим, одинаковым во всех направлениях. И загружаете еще маленькую крупицу вещества, которое будет датчиком давления. Всё это необходимо разместить в области, диаметр которой меньше человеческого волоса…
Мария Баченина:
— Это сложно представить.
Артем Оганов:
— В общем, этих людей-экспериментаторов нужно показывать в цирке — их мастерство кажется нечеловеческим, такая точность движений. Эти люди не пьют чай и кофе в день эксперимента, чтобы руки не дрожали. Представляете?! Так вот, возвращаясь к вопросу, нужна ли нам другая периодическая таблица для химических элементов под давлением? Я пришел к выводу, что нет — потому что все эти кардинальные изменения химии, о которых мы говорили, можно привязать к традиционной таблице Менделеева.
ГДЕ ПРЯТАЛАСЬ ВОДА НА МОЛОДОЙ ЗЕМЛЕ
Александр Сергеев:
— Вы выдвинули новую интересную гипотезу происхождения воды на Земле. Как вы к ней пришли?
Артем Оганов:
— С водой очень интересная история, она связана прежде всего с именем моего ученика Сяо Дуна, это потрясающе творческий, я бы сказал гениальный человек, он полностью опровергает стереотип о нетворческих китайцах. Казалось бы, абсурдный вопрос — откуда на Земле взялись океаны?..
Александр Сергеев:
— Это колыбель жизни, поэтому мы можем предполагать: там, где вода, есть что-то живое.
Артем Оганов:
— Верно. Без воды не было бы жизни на Земле. Хотя если вдуматься, воды на Земле мало. Измерьте объем океанов и разделите на объем всей Земли — получите малые доли процента. Тем не менее мы знаем, что, когда Земля только-только образовалась, никакого океана не было. Почему мы это знаем? Потому что Земля образовалась слиянием довольно крупных небесных тел, эти крупные глыбы сталкивались друг с другом и слипались, как снежный ком. Посмотрите на поверхность Луны — она вся испещрена кратерами, в нее постоянно что-то врезалось. На Земле происходило то же самое. В этих соударениях выделялось огромное количество энергии, и Земля была очень горячей — горные породы кипели, об океане не могло быть и речи. Когда планете Земля было 30 миллионов лет, никакой воды на поверхности Земли не было, но когда ей было 150 миллионов лет, на Земле точно был океан. Откуда вода появилась? Либо сверху — из космоса, либо снизу — из недр. Из космоса воду на Землю могли занести кометы, они состоят в основном из воды. Но эту гипотезу приходится отвергнуть, потому что изотопный состав кометной воды очень сильно отличается от океанской. Возможно, когда-нибудь откроют какие-то другие кометы, с другим изотопным составом, и тогда к этой гипотезе можно будет вернуться. Но пока что она отвергнута научным сообществом.
Мария Баченина:
— Но на планете же менялись условия, может, и вода могла поменяться на Земле по своему составу?
Артем Оганов:
— Если мы говорим о стабильных изотопах, то изотопный состав — это метка, которая сохраняется навсегда. Поэтому состав кометной воды вы ничем не поменяете. Значит, "сверху" вода не могла прийти, по крайней мере, в доминирующем количестве. Следовательно, она должна была прийти "снизу" — какие-то вещества хранили воду в первые десятки миллионов лет, а потом почему-то отдали. Что это за вещество? И вот Сяо Дун, гениальный молодой китайский ученый, предсказал с помощью моего метода USPEX новое вещество, состав которого до сих пор никто никогда не видел — это гидросиликат магния Mg SiO H . Это соединение устойчиво при давлении выше двух миллионов атмосфер. Это вещество очень необычное: чем сильнее вы его сдавливаете, тем оно стабильнее; чем сильнее вы его нагреваете, тем оно стабильнее. Это идет вразрез со всем, что мы знаем о водосодержащих минералах. Два миллиона атмосфер — такие давления внутри Земли есть. Там вообще давление доходит почти до четырех миллионов атмосфер. Но вот проблема — в Земле сегодня давления выше двух миллионов атмосфер встречаются только в области железного ядра. Никакого гидросиликата магния там нет и быть не может.
Мария Баченина:
— Выходит, здесь какая-то ошибка?
Артем Оганов:
— Нет, от этого история становится лишь интереснее и убедительнее. Когда Земля была молодой, ядра в центре не было, состав вещества планеты был более или менее однородным. Ядро формировалось постепенно. Расплавленное железо по каплям стекало к центру, и ядро росло. По оценкам, этот процесс занял все те же 30 миллионов лет. Что это значит? Это значит, что в первичной Земле гидросиликат магния мог находиться в центре Земли, но довольно быстро железное ядро вытеснило более легкие силикаты на периферию. И, вытесненные за область давления, где гидросиликат стабилен, эти соединения должны были распасться с выделением воды. Вот почему наш гидросиликат магния вначале хранил воду, а потом отдал ее.
Александр Сергеев:
— А в лабораторных экспериментах удалось получить это вещество при высоких давлениях и посмотреть, как оно распадается?
Артем Оганов:
— Пока никто не пробовал. Это вполне осуществимо, но пока никто не взялся за эту задачу. Это работа совсем свежая — 2022 года.
ВОЗМОЖНА ЛИ АЗОТНАЯ ЖИЗНЬ НА УРАНЕ?
Мария Баченина:
— Не удивляйтесь, у меня к вам вопрос по мотивам мультфильма «Смешарики. Пин-код». Там есть эпизод, когда герои прилетают на планету, где камни были живыми. Могут ли в реальности существовать неуглеродные формы жизни?
Артем Оганов:
— Очень интересный вопрос, я им тоже немного занимался. Для того чтобы возникла жизнь, нужны определенные химические предпосылки. Нужно, чтобы из небольшого числа элементов можно было создать огромное число разных молекул. Углеродная химия удовлетворяет этому требованию. Из небольшого числа элементов — углерод, водород, кислород, азот плюс сера и фосфор — вы можете создать колоссальное, практически неисчерпаемое многообразие молекул. Это необходимое, но еще недостаточное условие. Помимо химического и структурного разнообразия, нужно, чтобы эти молекулы имели достаточно большое время жизни.
Мария Баченина:
— Для чего?
Артем Оганов:
— Чтобы они успели выполнить свою биохимическую роль. Представьте, если бы молекула ДНК, например, едва образовавшись, сразу распадалась. Какая от нее польза? Никакой. Она бы свою роль не выполняла. Кроме того, эти молекулы и вся среда, в которой они существуют, должны находиться в жидком состоянии, чтобы происходил достаточно быстрый обмен веществ. Потому что в твердом состоянии скорость диффузии очень низкая и процессы обмена просто не могут эффективно происходить. Наши с вами ткани, за исключением костей, вообще-то жидкие. Кроме того, должны быть молекулы — хранители энергии, типа АТФ (универсальная молекула, служит основным источником энергии для всех биохимических процессов в живых клетках. — Ред.). Плюс необходимо хранилище генетической информации — аналог ДНК… Это необходимый набор условий, без которых жизнь не может существовать. Углеродная химия, очевидно, удовлетворяет всем этим условиям. Удовлетворяет ли какая-то еще? В 2015 году мы занялись азотоводородами. Что это такое? Например, аммиак — абсолютно стабильная хорошая молекула. Гидразин — более или менее тоже, хотя это чрезвычайно ядовитое вещество. А дальше азотоводороды становятся крайне нестабильными. Взять азидоводород — HN , это мощное взрывчатое вещество. В общем, разнообразие азотоводородов при нормальных условиях очень скудное. Но под давлением все меняется. И вы получаете колоссальное разнообразие азотоводородов, и они стабильны.
Александр Сергеев:
— А какое давление необходимо?
Артем Оганов:
— Начиная где-то от 400 тысяч атмосфер. Мы точно знаем место, где встречаются и стабильно существуют такие давления и такая химия — это Уран и Нептун. Эти планеты, грубо говоря, состоят из смеси воды, аммиака и метана. Там есть и другие молекулы, но сейчас речь не об этом. Хотите создать в пробирке Уран и Нептун? Смешайте 56% воды, 33% метана и 8% аммиака. И вам аммиака хватит, чтобы азотистыми формами жизни заселить эти гигантские планеты от края до края.
У меня в воображении уже рисовались самые разнообразные сюжеты на тему живых существ, созданных на основе азотистой химии. Но потом мы стали смотреть на эти молекулы в динамике и оказалось, что они недолго живут. Даже когда они формально устойчивы, то очень легко слипаются друг с другом, очень легко распадаются. Время жизни таких молекул, похоже, невелико даже при температурах и давлениях, которые создают высокую плотность и сильное взаимодействие между молекулами. Поэтому я бы сказал, что в азотистую жизнь довольно трудно поверить. Вероятность этого крайне мала.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Путешествия замедляют старение: новые впечатления помогают бороться с хаосом в голове