Неорганічні полімери, напівпровідники і чисті речовини

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Неорганічні полімери важливі для нас в першу чергу тому, що на їх основі можна створити еластичні матеріали зі значно більш високою теплостійкістю, ніж у органічних і навіть елементоорганічних полімерів. Відомо, що при дуже тривалому впливі температури органічні полімери розкладаються при 150 °, а елементоорганічні (силікони) – при 220. При нетривалому нагріванні ця температура підвищується для органічних полімерів до 400, для елементоорганічних – до 500. Понад цих температур органічні і елементоорганічні полімери не «працюють», і надія тільки на неорганіку. На жаль, надії не завжди швидко збуваються, у всякому разі, поки чисто неорганічних полімерів потрібних якостей ще немає.

Серед неорганічних сполук є велика кількість таких, які стійкі при температурах 1500-2000 ° і вище. Однак всі вони не володіють еластичністю. Головна складність полягає в отриманні таких речовин, які поєднували б еластичність і теплостійкість в значному температурному інтервалі. Мабуть, рішення цієї задачі криється у створенні нових типів неорганічних сполук ланцюжкової будови.

По суті, кварц і природні алюмосилікати є природними неорганічними полімерами, проте вони просторово структуровані, тобто як би зшиті в кожній елементарній ланці ланцюга. Це і є причиною їх нееластичності. Основне завдання, таким чином, полягає в регулюванні кількості поперечних зв’язків та отриманні лінійних неорганічних полімерів. Це можна здійснити або шляхом відповідних дій на природні алюмосилікати і кварц – шляхом їх красшування, – або спеціальним синтезом лінійних неорганічних молекул. А для цього, у свою чергу, необхідно вміти синтезувати неорганічні сполуки, придатні для обрамлення головної неорганічної полімерної молекули.

Неорганічні полімери можна отримувати і деякими іншими шляхами. Можна розкривати чисто неорганічні цикли, як, наприклад, при синтезі фосфонітрілхлорида. Можна будувати лінійний полімер з циклічних неорганічних сполук. Нарешті, можна було б спробувати обрамляти деякі елементи в основному ланцюзі двовалентними групами, наприклад, киснем. Природно, в цьому випадку бічні підвіски будуть прив’язані вже не одним зв’язком, а двома.

Зараз висунутий новий перспективний метод додання еластичності полімерів. Суть його полягає в тому, що полімерні молекули зшиваються в усіх трьох просторових напрямках; але не в кожній ланці, а на великих відстанях один від одного. Тоді такі, як їх називають, циклосітчасті полімери, зберігаючи міцність, яку дає їм зшивання, набувають і еластичність, обумовлену багатоланковими містковими зв’язками.

НАПІВПРОВІДНИКИ

Завдання хімічного дослідження в області напівпровідників зводяться до наступного. Для використання напівпровідників у різних приладах необхідні матеріали з дуже різноманітними електрофізичними характеристиками. Створення ефективно діючих випрямляючих радіотехнічних пристроїв пов’язано в першу чергу з високим часом життя носіїв струму, а він визначається чистотою і досконалістю структури матеріалу і станом його поверхні. У деяких областях до напівпровідників пред’являють і спеціальні вимоги. Так, наприклад, для перетворення теплової енергії в електричну необхідне поєднання високої рухливості носіїв струму з малою теплопровідністю решітки.

Звідси випливає, що хіміки повинні, з одного боку, розробляти методи очищення відомих сполук, а з іншого – синтезувати нові речовини, що володіють напівпровідниковими властивостями.

В області синтезу напівпровідникових сполук ефективність роботи була б істотно підвищена, якщо; б вдалося розробити теорію, що зв’язує будову і природу хімічного зв’язку напівпровідників з їх електрофізичними властивостями. У сфері вивчення хімічного зв’язку в напівпровідникових речовинах ведеться порівняно невелике число робіт. Однак розвиток ідей академіка Л. Ф. Іоффе призвів до встановлення деяких загальних закономірностей утворення напівпровідникових сполук, а також до відкриття склоподібних напівпровідникових речовин на основі сульфідів і теллуридів. Вони вже знаходять застосування в радіоелектроніці як матеріал для фотоопору.

Важливим напрямком в цій галузі є також роботи по наданню поверхні напівпровідників певних властивостей. Це зробить напівпровідникові прилади цілком стабільними в умовах експлуатації.

ЧИСТІ РЕЧОВИНИ

Отримання чистих речовин, вільних від домішок, – завдання, яке стосується не тільки створення напівпровідникових матеріалів. Звільнення таких, здавалося б, тендітних металів, як берилій або вісмут, від слідів кисню робить їх пластичними. Атомне паливо – це чиста речовина без нейтроноактивних домішок; цирконій свого часу був забракований як конструкційний матеріал в атомній техніці лише на тій підставі, що нейтроноактивними були сліди в ньому гафнію. Також і лазери вимагають самої ретельної очистки від елементів домішок.

Але не тільки в техніці весь час посилюються вимоги до чистоти речовини, не менше значення вона набула зараз в біохімії та медицині. Сліди якого-небудь металу, наприклад, цинку, в препараті антибіотика блокують його активні фізіологічні групи, і антибіотик стає непридатним.

Зараз в науці ясно позначилася тенденція: вивчення і використання нових властивостей речовини, які виявляються в міру її досконалого очищення. Хіміки пішли ще далі: у деяких випадках вони не задовольняються чистим елементом, а ведуть дослідження тільки з його окремими ізотопами.

Все це разом взяте, висуває величезні завдання з розробки методів отримання ультрачистих речовин. Необхідно посилити дослідження різних методів розділення речовин, таких, як зонна плавка, екстракція, хроматографія та багато інших.

Завдання отримання гранично чисті речовини тісно пов’язане з розробкою методів контролю чистоти. Необхідно розробити швидкі і точні методи неорганічного аналізу. Причому основний розвиток повинні отримати фізичні та фізико-хімічні методи аналізу, такі, як мас-спектрометрія, радіоспектроскопія, інфрачервона спектроскопія, радіоактиваційний аналіз, електрохімічні методи аналізу.

Автор: Н. Н. Семенов.