Производство новых материалов

В рамках учения о составе и строении элементов важное место занимает проблема производства новых материа;

лов. Речь идет о включении в их состав новых химических элементов; 98,7% массы слоя Земли, на котором осуществляется производственная деятельность, включает восемь химических элементов (%): 47,0 — кислород; 27,5 — кремний; 8,8 — алюминий; 4,6 — железо; 3,6 — кальций; 2,6 — натрий; 2,5 — калий; 2,1 — магний. Однако эти химические элементы неравномерно и не всегда рационально используются человеком. Так, более 95% металлических изделий содержат железо. Поэтому необходимо использовать и другие химические элементы, к примеру, кремний: считается, что силикаты (соединения кремния) составляют более 95% массы земной коры.

Включение в производство керамики титана, бора, хрома, вольфрама позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твердость и т. д.).

Бурно развивается химия фторорганических соединений, противопоставляющая углеводородам фторуглероды, содержащие суперпрочную связь С—F. Фторуглероды и полимеры на их основе (например, тефлон) обладают исключительной устойчивостью к действию таких агрессивных сред, как сильные кислоты и щелочи, малой способностью к прилипанию, абсолютной безвредностью для организма человека. Поэтому тефлон используется как в качестве материала для протезов, сердечных клапанов, так и для изготовления долговечных подшипников скольжения, которые не требуют смазки.

Ренессанс неорганической химии вызван потребностями таких отраслей, как электроника, фотоника, сенсорика и др. Если органическая химия — фактически химия одного элемента, то в арсенале неорганической химии их около 100.

Установлено, что при охлаждении проводника до критической температуры происходит его переход в сверхпроводящее состояние. Так, ртуть становится сверхпроводящей при температуре 4,2°К: ее электрическое сопротивление падает до нуля. Критическая температура олова — 3,7°К, ниобия — 9,2°К. Понятно, что чем выше критическая температура, тем легче ее получить в производственных условиях. Химикам МГУ удалось синтезировать новое семейство сверхпроводников с рекордно высокими значениями критической температуры (135—138°К).

Наноматериалы состоят из частиц меньше 100 нм. На таком уровне резко изменяются прежние свойства вещества, но свободные наночастицы стремятся к агрегации — соединению в агрегаты значительно большего размера, чем эти частицы. Для противодействия такой агрегации можно наносить наиочастицы («гости») на инертную матрицу («хозяина»); в роли такой матрицы могут выступать пористые кремнеземы. Такие соединения образованы включением молекул-гостей в полости кристаллического каркаса, образованного молекулами-хозяевами другого сорта. Их называют решетчатыми клатратами (от лат. clathratus — защищенный решеткой).

Строение таких супрамолекулярпых ансамблей определяется структурой каркаса «хозяина», а функциональные свойства — химической и физической природой «гостя». Пример — полупроводниковые клатраты, у которых очень низкое (как у стекол) значение теплопроводности, а сам каркас обеспечивает высокие концентрацию и подвижность носителей заряда.

В числе достижений химии последних десятилетий — новые поколения полупроводников и полупроводниковых гетероструктур; кислородпроводящие мембраны и твердые электролиты; материалы для литиевых источников тока; магнитные нанокомпозиты на основе стекломатриц и др.¹