ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние)

Профессор Ю.Я. Кузяков

ЛАЗЕРНАЯ ХИМИЯ - ИСТОРИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Широкое использование лазеров в химии началось в конце 60-х годов, когда в руках исследователей появились перестраиваемые по частоте лазеры, которые обеспечили возможность селективного возбуждения любых атомов и молекул. Количество публикаций, посвященных применению лазеров в химии, стало расти лавинообразно.

Одним из первых, кто предложил инициировать химические реакции путем воздействия лазерного излучения на атомы и молекулы, был зав. кафедрой квантовой электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, профессор Рем Викторович Хохлов.

На химическом факультете МГУ работы по применению лазеров в химии были начаты в 70-е годы. Работы проводились на кафедрах: неорганической химии (лазерное инициирование твердофазных реакций, лазерная термохимия), физической химии (взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом в твердой и жидкой фазе; изучение кинетики гомогенных реакций с использованием лазерного нагрева; использование лазеров для изучения реакций в молекулярных пучках, лазерно-химические реакции адсорбированных молекул), химической кинетики (структура и свойства лазерных красителей), аналитической химии (высокочувствительный лазерный атомно-ионизационный метод анализа), органической химии (превращение органических молекул под действием лазерного излучения).

В 70-е годы в лаборатории кинетики и газовой электрохимии кафедры физической химии проводились совместные с физическим факультетом МГУ научные исследования по проблеме создания активных сред для накачки лазеров на основе химических реакций с участием молекул озона. С 1976 г. по 1991 г. на химическом факультете работал всесоюзный научный семинар "Лазеры в химии".

В 1988 г. была создана кафедра лазерной химии. Первым заведующим кафедры был избран профессор Ю.Я. Кузяков.

Лазерная химия изучает химические процессы, возникающие или существенно изменяющие свой характер под действием лазерного излучения.

Излучение лазера, в отличие от излучения всех нелазерных источ-ников света, может иметь огромную мощность (10 19 Вт/см2) и высокую степень монохроматичности (экспериментально получено отношение ширины линии лазерного излучения к длине волны, равное 10 –14).

Монохроматичность лазерного излучения позволяет добиться высокой селективности возбуждения не только определенных атомов или молекул, находящихся в смеси с другими атомами и молекулами, но и высокой селективности возбуждения определенных химических связей в молекуле. Возбужденные атомы, молекулы, химические связи значительно легче вступают в химические реакции, чем невозбужденные, определяя тем самым основные процессы, происходящие в реакционной смеси.

Высокая интенсивность излучения позволяет возбудить значи-тельное число молекул вещества, находящегося в облучаемом объеме. Под воздействием излучения высокой интенсивности могут происходить многофотонные процессы, в результате которых каждая молекула одновременно поглощает не один, а несколько (2,....5....10...и т.д.) фотонов. Этот процесс может привести к образованию молекулы, энергия возбуждения которой превышает энергию ее диссоциации.

Казалось бы, что лазерное излучение является идеальным средством для проведения селективных химических реакций и использо-вание лазерного излучения может осуществить вековую мечту химиков - возможность управлять химической реакцией. Первые теоретические оценки (60 - 70-е годы) возможностей лазеров для управления химиче-скими реакциями были более чем оптимистическими. Однако зксперименты, выполненые в последующие годы, показали, что наши знания о структуре энергетических уровней в молекулах и динамике энергии возбуждения требуют существенного уточнения.

Селективное возбуждение определенной химической связи наиболее эффективно может быть осуществлено лазерным излучением инфракрасного (ИК) диапазона длин волн. Поглощение молекулой ИК квантов определенной длины волны приводит к возбуждению колебаний атомов, образующих определенную связь. Увеличение энергии молекулы (например, в результате многофотонного поглощения) сопровождается увеличением амплитуды колебания атомов. При использовании мощных лазеров как энергия молекулы, так и амплитуда колебаний атомов возбуждаемой связи может быть настолько большой, что связь разорвется. Однако было установлено, что для успешного проведения химических реакций, селективных по возбуждаемой связи в молекуле, решающее значение имеет соотношение между временем, необходимым для заверше-ния реакции, и временем, за которое молекула теряет селективность возбуждения.

Концентрации энергии на одной связи при ее возбуждении мощным лазерным излучением препятствует быстрый процесс внутримо-лекулярного перераспределения энергии возбуждения. Энергия, первона-чально сосредоточенная на одной связи, оказывается равномерно распре-деленной среди всех других связей в молекуле за время 10 –9 - 10 –12 с. Поэтому для проведения реакций, селективных по связям, необходимо подобрать такие скорости возбуждения и скорости реакций, которые были бы больше скорости внутримолекулярного перераспределения энергии возбуждения связи. Это условие трудновыполнимо при современном уровне развития техники эксперимента. Тем не менее, в некоторых случаях эти трудности были преодолены и удалось осуществить реакции, селективные по возбуждаемым связям. Например, взаимодействие лазерного излучения с молекулой HDO приводит к образованию водорода, если частота (n1) излучения совпадает с частотой колебания атомов O-H. Взаимодействие лазерного излучения с молекулой HDO приводит к образованию дейтерия, если частота (n2) излучения совпадает с частотой колебания атомов O-D. Можно предложить следующие механизмы реакций:

H-O-D + h n1 rarrow.gif (63 bytes) [H......O-D] rarrow.gif (63 bytes)  H2 + D2O

H-O-D + h n2rarrow.gif (63 bytes)   [D......O-H] rarrow.gif (63 bytes)  D2 + H2O.

Если возбужденные лазером молекулы вступают в реакции после завершения процесса внутримолекулярного перераспределения энергии, то они, сохраняя колебательное возбуждение, легче вступают в химические реакции, чем другие молекулы, находящиеся в смеси с ними. Таким образом оказывается возможным, используя лазерное излучение, создавать ансамбль колебательно-возбужденных молекул и проводить химические реакции, селективные по возбуждаемым лазером молекулам. Наиболее яркими примерами таких реакций являются реакции, исполь-зуемые для разделения изотопов, когда в смеси изотопных молекул селективно возбуждают молекулы, содержащие определенный изотоп. Возбужденные молекулы вступают в реакции (реакции с межмолекулярной селективностью) со специально подобранными реагентами. В результате реакции образуются легко выделяемые из реакционной смеси, обогащенные по выбранному изотопу продукты. В настоящее время почти все современные технологические процессы разделения изотопов основаны на лазеро-химических реакциях с межмолекулярной селективностью.

Использование лазерного излучения нашло широкое применение в современной химии. Наряду с синтезом новых соединений была существено улучшена технология получения известных соединений. Оказалось возможным а) использование более выгодного исходного материала, б) получение целевого продукта более высокого качества (например, за счет снижения количества побочных продуктов), в) уменьшение числа стадий получения целевого продукта, г) проведение сверх-глубокой химической очистки исходных материалов (например, при получении материалов для микроэлектроники). Лазерные методы исследования позволили детектировать единичные атомы и молекулы, дистанционно определять следы химических соединений, исследовать сверхтонкую структуру спектров молекул и т.д.

В настоящее время на кафедре 23 сотрудника (3 доктора, 6 кандидатов наук); в составе кафедры имеется три лаборатории:

1. Лаборатория лазерного синтеза (зав. лабораторией - доцент Ф.Н. Путилин). Научные исследования посвящены изучению процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом в твердой и жидкой фазе. С целью получения новых органических веществ исследу-ются механизмы лазерноиндуцированных реакций (2+2) циклоприсоеди-нения. Синтезируются новые материалы с заданными свойствами при осаждении на различных подложках продуктов испарения исходных веществ эксимерными лазерами.

2. Лаборатория лазерной диагностики (зав. лабораторией - профессор Н.Б. Зоров). Предложен, теоретически обоснован и реализован на практике новый лазерный сверхчувствительный ионизационный метод анализа состава веществ. Метод основан на селективном возбуждении атомов, а также молекул, в состав которых входит определяемый элемент, с последующей ионизацией возбужденных молекул и детектированием образующихся ионов. Были достигнуты пределы обнаружения некоторых элементов, равные нескольким пикограмм содержания в 1 мл водного раствора. Развиваются методы лазерного высокочувствительного детекти-рования в жидкостной хромотографии. Проводятся работы по лазерному синтезу новых твердых углеродсодержащих материалов.

3. Лаборатория лазерной спектроскопии (зав. лабораторией - профессор Ю.Я. Кузяков). Для двухатомных молекул и их ионов создан банк данных радиационных характеристик. Данные банка позволяют рассчитывать, в широком диапазоне длин волн, мощности поглощения и испускания низкотемпературной плазмой, высоконагретых газов, звезд и межзвездной среды и т.п. Созданы модели описания знергетической структуры возбужденных молекул, учитывающие результаты экспериментальных исследований не только энергетических, но и радиационных и магнитных характеристик. Создание таких моделей оказалось возможным благодаря наличию прецизионных данных, полученных в результате применения лазерных источников света. Разработан новый лазерный внутрирезонаторный метод получения спектров свободных радикалов, основанный на помещении источника свободных радикалов в резонатор многомодового широкополосного лазера.

В последние годы во всем мире бурно развивается новый раздел лазерной химии: фемтохимия, т.е. химия при воздействии на молекулы лазерных импульсов фемтосекундной (10 –15 с) длительности. Одним из наиболее впечатляющих достижений фемтохимии является наблюдение спектров активных комплексов (переходного состояния), существование которых (в интервале времен 10 –11 - 10 –12 с) постулируется в любой кинетической теории химических реакций. В планах развития исследований на кафедре найдет отражение и это перспективное направление.

КУЗЯКОВ ЮРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ (р. 1932). Заведующий кафедрой лазерной химии (с 1988), профессор (1978), доктор химических наук (1970).

Области научных исследований. Систематическое изучение спектров и строения свободных радикалов, взаимодействие лазерного излучения с веществом.

Основные научные достижения. Разработан высокочувствительный метод получения электронных спектров поглощения молекул. Впервые обнаружено существование в газовой фазе свободных молекул монофторида ксенона и положительно заряженных ионов монобромида кремния. Cоздан новый лазерный оптикогальванический метод селективного определения молекул и атомов, основанный на резонансном возбуждении детектируемых частиц с последующей их ионизацией при столкновениях с частицами окружающего газа и регистрацией образующихся электрических зарядов. Метод дает возможность проводить селективные определения следов элементов, для некоторых из которых достигнуты пределы обнаружения на уровне их содержания 10 –10 %. Создан и постоянно пополняется автоматизированный банк данных о вероятностях электронных переходов двухатомных молекул.

[ Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние) ]


Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору