Химия глазами астронома
Одним из самых примечательных докладчиков конференции стал Платон Качалин – самый юный участник конференции, 10-летний ученик московской школы № 1557 имени Петра Леонидовича Капицы. Сегодня Платон активно занимается химией и астрономией, является призером всероссийских олимпиад по этим дисциплинам. Кроме того, в девять лет школьник открыл переменность семи звезд (Kachalin 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), получив сертификаты первооткрывателя. Доклад Платона был посвящен пекулярным звездам. Это звезды с необычным химическим составом. Тема находится на границе химии и астрономии.
С момента создания периодической таблицы ученые работали над тем, чтобы выяснить, откуда взялись все 118 элементов. В течение 15 минут после Большого Взрыва атомы водорода объединились с облаком новорожденных частиц, затем оно расширилось и охладилось. Некоторые из них объединились дальше, чтобы сформировать гелий. Водород и гелий составляют 98% Вселенной, и они являются основными компонентами звезд.
Первые звезды образовались приблизительно через 100 миллионов лет после Большого Взрыва. Эти звезды были массивными, они генерировали энергию путем «сжигания» водорода – объединения атомов водорода в гелий посредством ядерного синтеза, как это делает сегодня Солнце. Когда у звезд заканчивается водородное топливо, они начинают сплавлять все более и более тяжелые элементы, заполняя следующие строки периодической таблицы в этом процессе.
Некоторое время звезды плавят гелий в углерод и кислород. К последним дням жизни массивной звезды углерод превращается в такие элементы, как натрий и магний. Вскоре после этого атомы кислорода сливаются в кремний, фосфор и серу. И в самые последние дни своей жизни звезда производит металлы, такие как железо.
Все эти превращения не являются энергетически благоприятными для синтеза элементов тяжелее железа. Менее чем за секунду звезда коллапсирует сама по себе, а затем взрывается как сверхновая, извергая новые элементы во Вселенную.
Химически необычные звезды
Существует несколько интересных групп звезд с высоким содержанием тяжелых химических элементов. Эти звезды не должны существовать и представляют интерес из-за высокого содержания химических элементов, которые не образуются в результате обычного нуклеосинтеза.
Американский астроном Уильям Морган впервые обратил свое внимание на такие звезды в 1930-х годах, однако другой американский астроном, Пол Меррилл, в 1952 году стал заниматься их изучением. Он обнаружил, что некоторые красные гиганты имеют линии поглощения в своих спектрах ряда экзотических металлов, в том числе элемента технеция. Открытие Пола Меррилла ознаменовало рождение совершенно новой области – звездного нуклеосинтеза (изучение того, как элементы синтезируются в звездах).
Звезды бария – одна из групп химически необычных звезд
Ученые Бидельман и Кинан в 1951 году впервые определили звезды бария как класс своеобразных красных гигантов. Звезды бария, как полагают, являются эволюционированными звездами G, K и M с классами светимости от I до IV и температурой от 4300 до 6500 K, и они имеют сильные спектральные линии и молекулы, богатые углеродом, такие как CH, CN и C2.
Сначала было непонятно, как такие звёзды производят столь тяжелый элемент, как барий. Однако наблюдения показали, что все бариевые звезды входят в двойные системы, вторым членом которой обычно является белый карлик. Это позволяет объяснить наличие бария внешним «загрязнением» от звезды-донора. Считается, что бариевая звезда когда-то была звездой главной последовательности, а ее партнер — углеродной звездой на асимптотической ветви гигантов. Будущая бариевая звезда была «загрязнена», когда звезда-донор начала терять материю в ходе эволюции, превращаясь в белого карлика.
Таким образом, химия дает ответы на вопросы, требующие различных областей знаний. Границы наук размыты, и одна наука все чаще дает ответы на вопросы, заданные другими науками. Химия взаимодействует с астрономией, которая использует химическую науку, чтобы найти ответы на вопросы, на которые астрономы не могут ответить.
Дэвид Сиборг о наследии отца
Эволюционный биолог Дэвид Сиборг в формате стендапа рассказал интересные факты из истории своей семьи, в частности, речь шла об отце ученого – Гленне Сиборге, который получил Нобелевскую премию и был автором и соавтором открытия десяти элементов Периодической таблицы химических элементов (наиболее известный из них — плутоний).
Гленн Сиборг родился на Верхнем полуострове Мичигана (штат США) в 1912 году. В возрасте десяти лет он переехал в Южную Калифорнию, где его школьный учитель химии и физики Дуайт Логан пробудил в нем интерес к химии.
После окончания химического факультета Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Гленн Сиборг учился в Калифорнийском университете в Беркли для получения докторской степени по химии, где он совместно с другими учеными открыл йод 131. Этот изотоп очень пригодился в медицине и даже спас жизнь матери Дэвида Сиборга, которая болела гипертиреозом.
В Беркли ученый многое узнал об исследованиях, работая лаборантом у великого химика Гилберта Ньютона Льюиса, который помог ему остаться в Беркли.
Команда Гленна Сиборга подумала, что плутоний может быть последним элементом таблицы, когда они его обнаружили, и назвала его в честь планеты Плутон.
Концепция актинида Сиборга (семейство из 14 радиоактивных химических элементов, расположенных в седьмом периоде периодической системы элементов за актинием) была единственным крупным пересмотром периодической таблицы с тех пор, как ее придумал Дмитрий Менделеев.
Концепция актинида позволила открыть дополнительные элементы и была научным достижением, которым Гленн Сиборг гордился больше всего. Он стал сооткрывателем десяти элементов, и разделил с коллегами Нобелевскую премию в 1951 году. Элемент 106 сиборгий назван в честь ученого. Гленн Сиборг и Юрий Оганесян – единственные люди, у которых были элементы, названные в их честь при жизни.
Гленн Сиборг умер в 1999 году через несколько месяцев после перенесенного инсульта.
Химия в экстремальных условиях
Также одним из последних докладчиков конференции стал Артем Оганов, российский кристаллограф-теоретик, минералог, химик, профессор РАН, наиболее известный работами по созданию методов компьютерного дизайна новых материалов и предсказания кристаллических структур.
До середины 2000-х годов считалось, что кристаллические структуры принципиально непредсказуемы. Это изменилось, и особую роль в этом сыграл эволюционный метод, разработанный командой ученого – USPEX. USPEX разрабатывался группой ученого с 2004 года и теперь имеет более 5000 зарегистрированных пользователей по всему миру.
USPEX – это сочетание эволюционного алгоритма и квантово-механических расчетов.
Инструмент решает «неразрешимую» задачу структурного прогнозирования – 3D, 2D, 1D, OD-систем, а также прогнозирования механизмов фазовых переходов. С помощью USPEX можно предсказать стабильные кристаллические структуры для конкретного химического состава и даже предсказать все стабильные соединения, образованные конкретными элементами.
Ученый подробно рассмотрел методологию вместе с приложениями к нескольким проблемам физики и материаловедения. Также для обнаружения технологически полезных материалов группа ученого реализовала мультиобъективную оптимизацию (Парето) и применила ее к различным задачам. Так, один из новых методов (Менделевский Поиск) способен находить лучшие материалы среди всех возможных соединений со всеми возможными кристаллическими структурами.
Ученый также описал результаты последних работ по нескольким направлениям: открытие новых химических явлений, открытие новых сверхтвердых материалов, проведение которых обещает заменить используемые в настоящее время материалы, предсказание новых высокотемпературных сверхпроводников, приближающихся к сверхпроводимости комнатной температуры, предсказание новой химии наночастиц и возможное объяснение канцерогенности оксидной пыли. Также во время доклада ученый обсудил текущие ограничения и будущие перспективы этих методов.
