Исследования сложных супрамолекулярных комплексов помогут создать невероятно эффективные охлаждающие элементы для компьютеров и бытовой техники нового поколения.

Сколько вы обычно носите в сумке или в кармане ключей? Наверняка, у вас есть ключи от квартиры, скорее всего от почтового ящика, ну а у тех, кто работает или водит машину, найдется еще один-два. Но сколько бы их ни было, каждый ключ подходит только к строго определенному замку — в этом и заключается функция и ключа, и замка. На схожем принципе «ключ-замок» основана способность биологических молекул к самоорганизации и избирательному взаимодействию с другими частицами. Только благодаря ей возможно, например, образование двойных спиралей ДНК или возникновение иммунных реакций. Стремление исследователей реализовать такие процессы в искусственно созданных системах было настолько велико, что привело к формированию на рубеже 1980−1990-х гг. отдельной области химии, названной лауреатом Нобелевской премии Жаном-Мари Леном (Jean-Marie Lehn) супрамолекулярной химией.

Супрамолекулярная химия изучает сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух и более частиц, связанных вместе межмолекулярными силами. Это химия молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей. Она изучает процессы молекулярного распознавания и избирательного связывания молекул в супрамолекулы и супрамолекулярные ансамбли.

Для супрамолекулярных систем важнейшим является принцип комплементарности: геометрическое, топологическое и зарядовое соответствие молекулярного рецептора («замка») и субстрата («ключа»). В отличие от молекул, в которых атомы объединены ковалентными или ионными связями, здесь удерживание фрагментов происходит за счет невалентных межмолекулярных взаимодействий: водородных связей, электростатических сил, лиофильно-лиофобных взаимодействий. Хотя они слабее ковалентных на 1−2 порядка, большое количество связей надежно удерживает структуру как единое и гибкое целое. Такое сочетание устойчивости со способностью быстро и обратимо реагировать на внешние воздействия является характерной чертой биологических молекулярных систем — нуклеиновых кислот, белков.

Одна из более прагматичных и перспективных областей применения супрамолекулярных соединений — термоэлектрические материалы нового поколения — они вполне могут произвести научную революцию и стать серьезной статьей дохода. К этому вплотную подошла группа химиков под руководством Андрея Шевелькова, придумывающих, получающих и исследующих супрамолекулярные клатраты.

Над материалами, способными охлаждать активный элемент, ученые работают столько, сколько существует полупроводниковая электроника. При этом от них пытаются добиться противоречащих требований: одновременно хорошей и аномально низкой электропроводности, чтобы тепло, отнятое у активного элемента электрическим током, эффективно отводилось в сторону, но плохо возвращалось обратно.

Такие термоэлектрики могут быть созданы на основе супрамолекулярных ансамблей. Молекулы рецептора-«замка» представляют собой решетку, построенную из прочных ковалентных связей. В ее пустотах располагаются способные более-менее свободно колебаться атомы субстрата-«ключа». Их движение рассеивает фононы, которые служат проводниками тепла, снижая теплопроводность. При этом поведение «ключа» никак не сказывается на электропроводности «замка» — ее обеспечивают электроны, перемещающиеся по ковалентным связям каркаса рецептора.

Такому устройству отвечают клатраты — встречающиеся в природе соединения, над изучением которых химики работали не один десяток лет. Правда, занимались они ими, скорее из любопытства: пытались понять и повторить их структуру. Уже первые попытки показали, что такие вещества получить вполне реально: первым «подопытным» стал натрий, заключенный в кремниевую решетку. Однако самыми перспективными термоэлектриками являются полупроводниковые клатраты, решетка которых несет на себе электрический заряд, а заключенные в нее субстраты — заряд, противоположный по знаку. В результате частицы надежно закреплены в ячейках решетки, но и сохраняют возможность колебаться с определенной частотой. Если она совпадает с частотой распространения тепла, происходит резонансное рассеяние.

Чтобы синтезировать столь сложное по структуре и свойствам вещество, одних химических реакций недостаточно — требуется учитывать много факторов, воспроизводить уникальную среду для взаимодействия элементов. «В мире насчитывается порядка семи научных групп, которые занимаются этим классом веществ, — Объясняет Андрей Шевельков, — У каждой свои методы работы, каждая работает с определенными веществами. Однако нам есть, чем гордиться, — на сегодняшний день мы достигли лучших показателей по уменьшению теплопроводности полупроводников, а это важный шаг на пути к созданию эффективного термоэлектрического материала».

Такие материалы применяют для охлаждения процессоров в компьютерах и ноутбуках, а потому даже небольшой прогресс в этой области сулит серьезную выгоду. Что уж говорить о супрамолекулярных клатратах, которые при их превращении в полноценный материал могут произвести революцию! Может появиться новая область техники — супрамолекулярная электроника, в которых полупроводники нового поколения смогут охлаждать активный элемент настолько, чтобы в ход шли сверхпроводники — а значит скорости, с которыми работают современные машины, возрастут в разы.

Термоэлектрические материалы уже применяют в портативных холодильниках, однако они не способны охлаждать крупные камеры, так что в бытовых холодильниках «по старинке» используют хладагенты. По словам экологов, они наносят существенный вред окружающей среде, разрушают озоновый слой со всеми вытекающими отсюда глобальными потеплениями. Заменив хладагенты полупроводниковыми охлаждающими элементами, мы получим экологически надежные, да к тому же тихие холодильники, поскольку компрессор в этом случае тоже не понадобится. Одного этого достаточно, чтобы заработать на изобретении миллионы.

Читайте о других перспективных технологиях охлаждения: «Ионный ветер», а также о том, как одна технология изменила мир: «Быстрая заморозка».

«Нанометр»