Максим Ухин
Это не только наука, но и искусство – заставить предметы из свинцового стекла сиять радужными спектрами. Супрематическая скульптура из стекла. Скульптор Ольга Победова. Экспонат выставки «Образостроение-2017» в Архиве РАН, 2017. Фото Александра Марова
В латыни это слово – crystall и корневое «y» (игрек) ясно указывают на заимствование Римом слова из греческого, где оно использовалось в значении чего-то замерзшего и прозрачного. Как лед или хрусталик глаза. В русский язык слово «кристалл» тоже вошло из греческого, заимствовав его из Европы с первой «к».
Кристаллы можно определить как некую пространственную (3D) решетчатую структуру с узлами. Эта структура может формировать многогранники и пластинки, ветвящиеся дендриты (как деревья-дендроны, отсюда и «дендрарий») и даже иглы.
Вильгельм Конрад Рентген в конце XIX века подарил физикам прекрасный инструмент для изучения кристаллов – Х-лучи, впоследствии названные его именем – рентгеновские лучи. Он стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике в 1901 году.
Почти через10 лет, в 1910 году, Йоханнес Дидерик Ван дер Ваальс получил Нобелевскую премию по физике за работу, посвященную уравнению состояния газа и жидкостей. В его исследовании использовался принцип введения поправок к уравнению идеального газа с учетом объема молекул и сил их взаимодействия, что позволяет лучше описывать поведение отдельных газов и жидкостей. Другими словами, он доказал, что атомы и молекулы могут объединяться только за счет сил притяжения, не образуя связей друг с другом.
«Подарком» Рентгена в полной мере воспользовались отец и сын Брэгги – Уильям Генри Брэгг (отец) и Уильям Лоренс Брэгг (сын). Они получили Нобелевскую премию по физике в 1915 году за исследование структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей. (Из-за начавшейся Первой мировой войны сама награда была вручена им в 1919 году.) Кстати, Уильям Лоренс Брэгг стал самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике: ему было 25 лет на момент объявления. Нобелевский комитет отметил заслуги отца и сына Брэггов в определении структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Отец и сын разработали метод рентгеноструктурного анализа, основанный на законе Брэгга. Этот закон позволяет определять структуру кристаллов с помощью дифракционной картины рентгеновских лучей. Их работа стала основой для нового направления в физике и химии, которое впоследствии привело, в частности, к открытию структуры ДНК.
40 лет спустя рентгенограммами кристаллов ДНК, полученными Розалинд Франклин, «воспользовались» 24-летний американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик. Они представили в журнал Nature рисунок спирали ДНК из двух цепей, демонстрирующих молекулярный механизм самовоспроизведения-репликации генов и вообще всей жизни на Земле. Их Нобелевская премия дождалась до 1962 года.
Вообще надо отметить, что история изучения кристаллических структур имеет весьма солидный возраст. Еще в 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейницер совместно с немецким физиком Отто Лиманом открыли жидкие кристаллы. Им удалось под микроскопом идентифицировать игольчатые кристаллы холестерина (стерина-стерола, циклического стероида, синтезируемого печенью и выделяемого с желчью). Отсюда и название: Chole, происходит от древнегреческого и означает «желчь». (Например, термин «холемезис» (cholemesis) – рвота желчью.) А вот кристаллы удивили тем, что в расплавленном состоянии при 145°С приобретают голубоватый цвет, сохраняя его до 178°С. В мае 1889 года об этом было сообщено в Вене.
Но в возможность существования жидких кристаллов (ЖК), без которых сегодня трудно себе представить жизнь, почти век никто не верил. Первый ЖК-дисплей был создан только в 1968 году. Кстати, в то, что ДНК суть вещество генов, поверили тоже только после 1962 года.
В первые годы триумфального шествия по миру ИИ и AlphaFold (программа «сложения» белковых цепей в функциональные 3D-структуры) ученые возлагали большие надежды на быстрое и программируемое создание новых лекарств. По прошествии довольно короткого времени стало понятно, что системы ИИ хорошо имитируют общие паттерны, но неспособны учесть физику взаимодействий молекул, открытую Ван дер Ваальсом.
Необходимость учитывать силу Ван дер Ваальса недавно была показана на примере исследования с помощью AFM (микроскопа атомной силы) 2D-монослоя графена. Результаты этой работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. AFM представляет собой рычажок, колебания которого фиксируются с помощью направленного на его конец лазерного луча. Так была определена прозрачность графенового монослоя, лежащего на подложке из SiO2 (диоксида кремния). Тем самым удалось точно определить вклад сил Ван дер Ваальса.
Его, как считают в Мичиганском университете г. Лэнсинга, необходимо учитывать при создании кристаллических структур с помощью лазера. Известно, что этот процесс кристаллообразования требует достижения системой ее предельного состояния и затем начала образования центров кристаллизации. Но его трудно регулировать, и это ведет к потере качества и эффективности.
На сегодня наиболее обещающими в плане производства солнечных панелей считаются перовскиты – оксиды сложного состава. В Лэнсинге для кристаллизации метиламмония (МА) с бромистым свинцом (MA PbBr) использовали плазмоны на поверхности наночастиц золота, генерируемые лазером. МА представляет собой аммиак NH3 с присоединенным к нему метилом (–СН3). Плазмон – это электронная волна, генерируемая на поверхности благородных металлов. Вся штука в том, что электроны на поверхности этих металлов подвижны. Авторы работы надеются, что их метод может использоваться не только в фотоэлектронике (получении электрического тока за счет энергии солнечных фотонов), но также и в оптоэлектронных устройствах следующего поколения.
