Українське ноу-хау: фізико-хімічна інформатика

Що спільного між космічним ліфтом і нанотрубками, заростанням внутрішніх перерізів трубопроводів і пам’яттю дерев, баченням на відстані й опрісненням води? На перший погляд, нічого... Проте фізико-хімічна інформатика, яку викладають в одному з технічних вузів Києва, дає змогу об’єднати настільки різні речі. Цікаво, що подібного курсу не читають більше ніде у світі, хоча лише один розділ цієї науки, що вивчає так звані комплексони, охоплює 1047 джерел із різних міжнародних журналів. Це свідчить про величезний інтерес учених і інженерів до цього напряму. Гадаю, ознайомитися з ним буде цікаво й тим, хто далекий від науки.

На кафедрі прикладної фізики Національного технічного університету України «КПІ» зібрано колекцію аварійних трубопроводів, що їх експлуатували в різних галузях промисловості з порушеннями технології. Розріз такого трубопроводу представлено на фотографії. Вона дає наочне уявлення про те, в якому стані перебуває система, призначена пропускати воду.

Природно, що вчені давно й активно працюють над створенням засобів боротьби з відкладеннями. Доступні й дешеві засоби розроблено і на нашій кафедрі. Деякі з них не мають аналогів у світі. Тут же створено й технології із застосування хімічних комплексонів. Ці речовини навіть у невеликих обсягах, порівнянних із сірниковою голівкою, можуть діяти руйнівним чином на зв’язки між кристалами відкладень у трубках теплообмінника.

Згадані речовини активно застосовують не лише в енергетиці чи видобутку енергоносіїв, а й у сільському господарстві для підвищення врожайності злакових, у харчовій промисловості для збільшення терміну зберігання продуктів, у медицині — для виведення токсинів з організму, для діагностики захворювань. Причому спектр застосування комплексонів пос­тійно розширюється.

Здатність води зберігати й передавати позитивну чи негативну інформацію відзначали ще наші предки. Наприклад, раніше казали: не пий води з поганого двору (де тяжко хворіють, де не ладнають чоловік із дружиною тощо). Про пам’ять води йдеться навіть у Біблії: «Господь велів Мойсеєві вчити синів ізраїлевих перевіряти вірність дружин із допомогою особливої «води, котра наводить прокляття, якщо вона нечиста і скоїла злочин».

Науково досліджувати воду почали з 1783 р., коли було встановлено, що в процесі спалювання водню утворюються краплинки рідини. Гей-Люссак і Гумбольдт 1805 року запропонували просту формулу води — Н₂О. Проте уявлення про просту будову було розвіяне, коли почалися дослідження з допомогою мас-спектрометрії. Так було відкрито важку воду (D₂O), виявлено третій ізотоп водню — трітій Н₃, або Т, отримано надважку воду (Т₂О), напівважку воду HOD тощо.

Полікристалічна будова води, як конгломерату рідких кристалів, пояснює безліч загадок, наприклад феномен інформаційної пам’яті води.

Сегнетова сіль являє собою безбарвні кристали, що розкладаються при 55,6 °С. Її відкрив 1655 року французький аптекар Е.Сеньгет, на честь якого сіль і названо. Сьогодні це і сегнетоелектрики і піроелектричні фотоприймачі, котрі при зміні температури на 1°С викликають появу електричного поля до 10 кВ/см. Цей напрям дав світу тепловізійні камери, котрі дають змогу побачити сліди об’єкта, який давно пройшов, а також виявляти об’єкти в темряві на відстані до 20 км, аварійні трубопроводи в землі, приховану електропроводку, локальні точки захворювання внутрішніх органів у живих організмів тощо.

Щодня створюються нові речовини та матеріали, завдяки яким змінюються уявлення про техніку, що оточує нас. Так, наприклад, крок до створення цілком прозорих дисплеїв зробила група американських учених. Це гнучкі органічні екрани, в яких транзистори виконані з використанням нанопровідників і провідникових окислів, що пропускають світло. Вчені вважають, що новинку використовуватимуть у виготовленні електронного паперу, окулярів, автомобільного скла і прозорих мікросхем.

Очікуються великі «прориви» в технології синтезу нових матеріалів, що в майбутньо­му дасть змогу створювати їх «поатомно» — атом за атомом. Особливо це важливо для медицини і багатьох галузей виробництва. Прикладом таких нових унікальних матеріалів є фулерени. Сьогодні один грам цього матеріалу коштує 100 доларів США. Але це ще не межа вартості нових матеріалів — один грам нанотрубок коштує кілька сотень доларів США. Вони мають надрозвинену поверхню (500 м²/г), міцність і надпровідність.

Саме з їхньою допомогою сьогодні намагаються створити фантастичний космічний ліфт, на якому згодом можна буде вирушати на навколоземну орбіту. У такому ліфті головним компонентом конструкції буде надміцний кабель із нанотрубок завдовжки 100 тисяч кілометрів.

Наочне уявлення про те, наскільки інженери наблизилися до реалізації цієї мрії, дають змагання «Космічний ліфт-2007», що відбулися недавно в штаті Юта (США) за підтримки НАСА. Їх проводять із 2005 р., а завершаться вони 2010 року. Їхня мета — стимулювати розробку космічного ліфта, котрий являє собою трос, один кінець якого закріплено на супутнику, що перебуває на геостаціонарній орбіті, а інший — на екваторі.

Репортажі про цьогорічний конкурс подавали всі американські газети. Його проводили в двох номінаціях: на найкращий трос і на найкращого робота-тросолаза. Приз у кожній становив 500 тисяч доларів. Щоб перемогти, робот мав видряпатися стометровим тросом, кінець якого був закріплений на стрілі спеціального крана, із середньою швидкістю не нижчою, ніж два метри за секунду. Щоб вибороти приз, команда повинна була представити кільце з матеріалу, довжина окружності якого була б не менша, ніж два метри, а маса — до двох грамів. Представлені зразки навантажували доти, доки ті не рвалися. Перемагав той, чиє кільце було з матеріалу більш міцного, ніж матеріал, що вже був у розпорядженні NASA. У фінал вийшли дві команди. Одна з них — з Массачусетського технологічного інституту (МТІ), котра вперше представила кільце, повністю зроблене з вуглецевих нанотрубок.

Однак фіналістів спіткало розчарування — кільце, виготовлене в МТІ, порвалося майже відразу. Друга команда в останню мить відмовилася від змагання. Тож цього року призи не дісталися нікому. Зате наступного року кожен з них становитиме вже 900 тисяч доларів. Дуже щедро! Проте фахівці впевнені, що всі витрати окупляться, коли космічний ліфт почне працювати. Адже відправляючи роботів із Землі на орбіту з допомогою тросу, можна буде дешевше доставляти вантажі на космічні станції.

І такі фантастичні проекти сьогодні здійснюють в багатьох університетах світу. До речі, за участі студентів цих вищих навчальних закладів, які з юного віку мають можливість працювати над найперспективнішими розробками. Приміром, у вересні 2007 року було оголошено, що британські вчені в Манчестерському університеті разом із німецькими вченими з інституту Макса Планка створили нову стабільну наноструктуру — вуглецеву плівку завтовшки в один атом. У ній атоми розташовані в конфігурації, що нагадує бджолині стільники. Новому матеріалу дали назву «грейфін». Найближчим часом грейфін зможе замінити кремнієві мікрочипи, і тоді відкриється ера глобальних змін у комп’ютерній техніці, електроніці, медицині, багатьох інших галузях виробництва.