Химические новости
Ученые разработали антисептик для очистки воды, способный заменить хлор
Антисептик под названием "анавидин" разработан специалистами Иркутского института химии СО РАН. С его помощью можно осуществлять обеззараживание питьевой и бытовой воды. При этом, в отличие от жидкого хлора, которым сейчас осуществляется обеззараживание, антисептик не обладает вредным воздействием на организм человека. Анавидин обладает широким спектром антибактериального действия, причем уничтожает ряд бактерий и вирусов, устойчивых к хлору. Кроме того, анавидин не имеет токсичного действия, хорошо растворяется в воде, не придает ей дополнительных вкусов и запахов. В процессе приготовления не требует специальных сооружений и дополнительных мер безопасности. Для обеззараживания воды требует 1 мг препарата на 1 л воды, полная очистка воды происходит через 60 минут.Применение анавидина для очистки питьевой воды разрешено Департаментом Государственного санитарно-эпидемиологического надзора РФ. Препарат может использоваться как в промышленности, так и в системе очистки городских сточных вод. Проект сейчас находится на стадии завершения научно-исследовательских разработок, ученым осталось создать только опытную установку. Для завершения разработки ученым требуется 850 тыс. рублей. Институт химии приглашает к сотрудничеству предпринимателей для создания совместных предприятий по производству анавидина.
Вещество есть, хотя его не может быть
Невозможное с точки зрения классической кристаллографии вещество синтезировали российские ученые. Это так называемые квазикристаллы, в которых атомы железа, меди и алюминия расположены в строгом, но запрещенном для обычных кристаллов порядке. Исследовав свойства этих веществ, химики нашли для них область применения. Композиты на основе резин и полимеров с добавками этих соединений будут обладать, по мнению авторов, уникальными свойствами.Перехитрить природу с пользой для человека вновь удалось российским ученым. Сотрудники Московского государственного института стали и сплавов (МИСиС) не только синтезировали вещество, которое по всем законам и существовать-то не имеет права, но и придумали, как его употребить с пользой для дела. Это так называемые квазикристаллы на основе алюминия, железа и меди, атомы которых в периодичную кристаллическую решетку в рамках классической науки объединить невозможно. Чтобы сделать это "чудо природы", авторам пришлось применить экстремальные условия - долго и упорно колотить исходные металлы тяжелыми шарами в специальных мельницах. А понадобиться такие "как бы кристаллы" могут при создании композиционных материалов с уникальными свойствами - например, особо устойчивых к трению резин. Проект поддержали РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований) и Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
- Понятие квазикристаллов - сравнительно новое, - говорит руководитель проекта профессор Сергей Калошкин. Придумали его лет 20 назад, чтобы объяснить странную рентгенограмму (это нечто вроде рентгеновского снимка, только не просвечивающего, а отраженного) особого образца - стремительно охлажденного расплава на основе алюминия и марганца. На рентгенограмме были хорошо видны отчетливые светлые пятна - безусловные признаки того, что атомы расположены строго упорядоченно по всему образцу. Но обычная кристаллическая решетка такой картины дать не могла, и в рамках классической кристаллохимии такие рефлексы описать не удавалось.
В конце концов оказалось, что в необычном соединении атомы действительно расположены в строгом порядке. Только порядок этот особенный. Обычный кристалл весь состоит из одинаковых, так называемых элементарных ячеек. Из них, как из строительных блоков, можно построить всю структуру - для этого достаточно перемещать их на определенное расстояние. А в квазикристалле нет такого понятия, как "элементарная ячейка": хотя в нем атомы тоже расположены в строгом порядке, мысленно перемещая группу атомов на одно и то же расстояние, никогда не попадешь на точно такую же группу. Простейший пример такого порядка - геометрическая прогрессия. Вроде порядок в расположении точек на прямой есть, а вот повторяемости нет - расстояние между точками все время растет.
Позднее выяснилось, что получать квазикристаллы можно из разных элементов, но это всегда очень сложно - например, нужно распылять расплав потоком инертного газа или разливать расплав на быстро вращающийся диск. Ведь это всегда, образно говоря, игра против правил, и приемы приходится использовать неминуемо экстремальные - иначе встать "неправильно" атомы не заставишь.
Однако эта игра стоит свеч. Потому что у новых соединений и свойства необычные. Похожие одновременно и на металлы, и на керамику, с одной стороны, они исключительно твердые - тверже самых твердых легированных сталей, почти как алмаз. А с другой - у них очень низкий коэффициент трения, чуть больше, чем у сверхскользкого фторопласта, и гораздо меньше, чем у любого металла. И химическая стойкость у них тоже очень высока - почти как у керамики.
Именно такие необычные вещества и научились получать металловеды из МИСиСа. Причем метод, разработанный учеными под руководством С.Д. Калошкина, на фоне традиционной экзотики привлекает в первую очередь замечательной простотой, а следовательно - сравнительной дешевизной.
Дело в том, что свои квазикристаллические сплавы авторы предлагают получать методом так называемого механо-химического синтеза. Проще говоря - в специальных мельницах, в которых порошки исходных металлов дробят с такой силой и до тех пор, пока металлы не перемешаются на атомарном уровне и не получится сплав. А чтобы закрепить успех, полученный порошок нужно еще отжечь - прогреть некоторое время при высокой температуре. Так и получается сплав, обладающий структурой и свойствами квазикристалла.
Пока ученые разработали методики, с помощью которых можно получать два вида квазикристаллических сплавов, исследовали их состав и свойства. В состав обоих входят медь и алюминий, но в одном есть еще железо, а в другом - хром.
Разумеется, получают эти уникальные соединения химики не только из любви к науке. Ведь такие порошки - это исключительно перспективные наполнители для различных резиновых и пластиковых уплотнителей. А чтобы композиционные материалы на основе эластичной матрицы и твердых и скользких частиц наполнителей не расслаивались под нагрузкой, авторы предлагают увеличить их сцепление с матрицей. Для этого авторы совместно с коллегами из НПП "РЕАМ-РТИ" тоже разработали методику и тоже оригинальную. В результате такой обработки на поверхности частиц появляются микродефекты, и их сцепление с матрицей улучшается. А значит, и весь материал будет служить дольше и сможет выдержать более серьезные нагрузки. Износостойкость при этом может увеличиться в десятки раз.
Ольга МАКСИМЕНКО
НАЙДЕН ОТВЕТ НА ВОПРОС О ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ХИМИИ ВОДЫ
Что такое вода? Это простая, устойчивая молекула, представляющая собой два водородных атома и один атом кислорода, довольно обычна во Вселенной и существует в широком диапазоне температур. Как жидкость, она имеет интересные свойства, которые позволяют ей воплощаться в виде всевозможных форм – твердой, жидкой и газообразной. Она является основой любых форм жизни, и это составляет большую часть от массы нашего тела.Однако, энергичный спор о небольшом количестве фундаментальных физических свойств этого вездесущего вещества бушевал на протяжении более половины столетия. Теперь, новое открытие, результаты которого опубликованы 19 февраля в выпуске журнала Nature, может наконец поставить точку в этом споре.
Ученые Юэ из Aalborg University, Дания, и Аустен Энжелл из Аризонского Государственного Университета, США, ставшие авторами данного открытия, отмечают, что в настоящее время общепринятая температура, при которой вода в форме льда переходит в жидкость, является неправильной. Фактически, ученые утверждают, что аморфная твердая форма воды кристаллизуется прежде, чем происходит ее смягчение.
Большинство из нас считает, что основные свойства воды хорошо поняты и изучены. В то время как мы знакомы с водой в виде жидкости или в виде льда, ее самое обычное состояние во Вселенной – в форме стекла, специфической формы вещества, которое является твердым подобно льду, но имеет беспорядочную связь молекул подобно жидкости. Ученые полагают, что вода главным образом существует в стеклянном состоянии в межгалактическом пространстве - в водных облаках и частицах пыли, и что кометы тоже состоят из нее.
Переход между жидкостью и ее прозрачной твердой стадией внезапен. Стекла, однако, показывают самые различные виды поведения. Когда они нагреваются, то изменяются в жидкость постепенно, показывая скачок высокой температуры в широком диапазоне. Этот скачок в способности высокой температуры достичь фазы начала таяния стекла определяется "стеклянным переходом".
Химики, которые формируют стеклянную воду в лаборатории, обрызгивая микрокапельками воды чрезвычайно холодные поверхности (процесс гиперподавления), долгое время были неспособны обнаружить стеклянный переход для воды, поскольку вода моментально трансформировалась в прозрачное тело перед достижением температуры перехода. Наконец, в 1987 году слабое изменение, как думали, было обнаружено при 136 градусах Келвина. С тех пор, это значение стало общепринятым в качестве определяющего показателя стеклянного перехода воды. Теперь же, Юэ и Энжелл показали, исследуя множество других гиперподавленных неорганических состояния воды в фазе стекла, что стеклянные переходы – это тот момент, который происходит при более низких температурах, чем фактический определяется самим наблюдаемым состоянием перехода.
Оказалось, что стеклянный переход воды фактически представляет только эффект воздействия на воду. "Фактическая стеклянная температура перехода не может быть замечена ни при каком эксперименте, потому что, и как многие из нас думали раньше, вода кристаллизуется прежде, чем стеклянный переход происходит", говорит Энжелл. Его результаты указывают на новое понимание физики стадий воды. Стеклянная вода может теперь быть замечена при намного более высокой температуре, чем думали раньше, вероятно, из-за сильной тетраэдрической сети водородных связей, удерживающей молекулы воды вместе. Однако, эта сеть разрушается, когда вещества распадаются в воде.
Новый метод получения аммиака
Команда исследователей из Корнелловского Университета преуспела в технологии преобразования азота в аммиак, взяв за основу давно предсказанный процесс, который был предметом споров ученых в течение многих десятилетий.Это новое достижение в области химии основано на использовании циркония, с помощью которого добавляются водородные атомы к молекуле азота и все соединение преобразуется в аммиак, без необходимости использования высоких температур или высокого давления.
"Ценность нашей работы в том, что мы ответили на основной химический вопрос: как взять этот очень инертный и нереактивный азот и получить из него полезный продукт", говорит Пауль Чaйрик, доцент химии и химической биологии Корнелловского Университета.
Чайрик и его коллеги сообщили о своих успехах в недавнем выпуске журнала Nature (издание 427 от 5 февраля 2004). Исследовательская группа состояла из Чайрика, его бывшего аспиранта Джима Пула и научного сотрудника Эмиля Лобковского.
Многие ученые отмечают важность этого открытия в плане того, что оно будет иметь важное значения для производства аммиака по новым более дешевым технологиям. Однако, Чайрик подчеркивает, что его группа преуспела только в создание аммиака в лабораторных условиях на уровне молекул, и пока еще о промышленном производстве говорить рано. Азот составляет 78 процентов атмосферы Земли и может быть преобразован в удобрение на основе аммиака, которое использует приблизительно 40 процентов населения планеты. Это практически неисчерпаемый ресурс получения удобрений.
Проблема с преобразованием азота в индустриально-пригодную форму состоит в том, что, хотя этот элемент и является простой молекулой, его связь на уровне атомов невероятно прочна. Только угарный газ имеет более сильную связь. Но в то время как угарный газ легко улавливается и входит в соединение с другими молекулами, азот не имеет полярности и не свойствен легким металлам. Также очень трудно поместить электроны в молекулу азота, и очень трудно их вытащить из нее.
Индустриальный метод получения аммиака из азота сегодня является основным, но он очень дорог, требует высоких температур и давления для удержания азота и водорода в жидком состоянии, чтобы они могли взаимодействовать с железной основой, которая служит катализатором. Команде Чайрика однако удалось разорвать связь в молекуле азота, путем использования циркония в растворимой форме и при температуре всего в 45°С, и добавить водородные атомы к этому так называемому "динитрогеновому мосту". Полная стабилизация молекулы до состояния аммиака была достигнута при 85°С.
Однако, Чайрик подчеркивает, что пока шансы на скорое промышленное освоение этого метода малы, поскольку молекулярный азот является настолько химически инертным, что даже связывание его с металлами – путь долгих лет и сложных решений.
В отличие от традиционного процесса производства аммиака в технологии группы Чайрика не используется катализатор. Цирконий производит только одну молекулу аммиака на единицу времени, а не обширные объемы на уровне промышленного производства. Пока не найден такой катализатор, который может запустить этот простой процесс при низких температурах и давлении.
Чайрик говорит, что его группа в настоящее время ищет такой катализатор, который был бы способен решить данную задачу. Возможно, отмечает он, нам удастся придумать каталитические циклы, которые производят не сам аммиак, а какие-то другие составы на основе азота, что может быть даже более важно, чем создание аммиака.
Наши источники:
,
,
, "Известия Науки", журнал "Эксперт",
,
