К.П. Катин: Новые химические источники энергии. Сверхтопливо из чистого азота
Расшифровка видео
0:00
Здравствуйте уважаемые радиослушатель Это российские радиоуниверситет студии Дмитрий кононыхин мы с вами отправляемся
0:05
в Фантастическое путешествие в мир новых молекул мир новых веществ мы будем говорить о новых химических источниках
0:12
энергии как можно использовать новые молекулы для того чтобы хранить энергию
0:17
и использовать её в новом хозяйстве об этом сегодня мы поговорим в нашем специальном проекте МИФИ управление
0:23
энергии и мы в гостях у замечательного физика доктора физико-математических наук профессора ведущего сотрудника
0:30
центра радио фотоники и сверхвысокочастотной института нанотехнологий в электронике
0:36
спинтроника нашего любимого Константина Петровича Катина Здравствуйте Константин
0:42
Петрович Здравствуйте спасибо за возможность снова быть со слушателями радио Россия Константин Петрович когда я
0:49
готовился к этой программе честно скажу Вот уж где Я ничего не понял Так я
0:55
ничего не понял Я пытался и старался но честно говоря когда Мы перешли от уже
1:01
понятных и привычных двухмерных структур вроде графена к таким объёмным структурам
1:08
вроде фулерен всё что основано на химии и на структурах углерода там ещё моих
1:15
мозгов хватало но когда я увидел ваши статьи ваши и ваших коллег о многомерных
1:22
структурах которые состоят из азота здесь я уже ничего не понял и объясните
1:27
пожалуйста что это такое Что это за химия азота где азот выстраивается в какие-то удивительные структуры для чего
1:34
это нужно Что это за физика что это за химия и для чего она нужна Ну мне хотелось бы начать всё-таки
1:42
с углерода как с основного элемента который используется в качестве топлива
1:49
если бы мы давали бы какое-то первое место присуждать бы какому-то
1:54
химическому элементу то мы несомненно должны были бы выделить углерод в Энергетике
2:00
потому что он побеждает все остальные элементы с огромным отрывом причём с
2:06
древнейших времён и до наших до самых последних дней если мы представим себе все такие
2:14
традиционные виды топливо которое мы используем такие как дрова торф нефть
2:20
мазут природный газ и все остальные то в их основе лежит
2:27
химический элемент углерод с точки зрения физической химии они
2:33
являются хорошим топливом потому что углерод Может соединяться с кислородом с
2:39
образованием газа CO2 молекулы углерода и кислорода они так устроены что они
2:46
притягиваются друг к другу если атом углерода оказывается рядом с атомом кислорода они начинают двигаться
2:53
интенсивно друг другу При этом они ускоряются При этом они ги и заставляют
3:01
их тоже двигаться и мы регистрируем весь этот процесс как выделение
3:08
тепла но мы не были бы учёными если бы мы могли бы смириться с тем что вот один
3:14
химический элемент с древнейших времён и до наших дней всё время используется и
3:20
никакие другие элементы не могут составить ему конкуренцию это было бы удивительно и поэтому конечно же просто
3:27
из любознательности мы должны были бы пробежаться по таблице Менделеева и
3:33
посмотреть не могут ли какие-нибудь другие элементы оказаться лучше углерода
3:39
или хотя бы встать наравне с ним или хотя бы в каких-нибудь узких но важных приложениях занять его
3:47
место а может быть поискать ответ У природы Может там есть какие-то
3:53
подсказки Да с этим я тоже могу совершенно согласиться действительно
3:58
живые организ тоже нужна Энергия и мы можем посмотреть
4:03
в том числе и на живые организмы откуда берут энергию
4:09
они Если только мы взглянем на таблицу Менделеева то самый первый же элемент
4:15
который мы увидим это будет водород и поэтому первый вопрос который
4:22
может у нас возникнуть Можем ли мы использовать водород в качестве топлива и можетли
4:28
у с одной стороны связь водорода с
4:34
кислородом она не такая сильная как у углерода она выделяет не так много
4:40
энергии Но с другой стороны мы должны учитывать что атом водорода намного легче чем атом углерода в 12 раз Поэтому
4:50
если мы смотрим Сколько энергии можно получить в рате на
4:56
1 из водо Примерно в три раза больше чем из
5:02
углерода и в этом состоит первое большое преимущество водорода в качестве
5:09
топлива Но самое главное преимущество состоит даже не в
5:14
этом если углерод мы вынуждены именно сжигать мы вынуждены чтобы он соединял с
5:20
кислородом именно в процессе вот такого горения то с водородом можно тоже его
5:26
сжигать но можно поступить более хитро использовать такое устройство которое
5:31
называется водородный топливный элемент в этом устройстве в отличие от
5:37
просто обычного горения кислород и водород не соединяются непосредственно а Они
5:45
разделяются специальной протонов мембраной эта мембрана она пропускает
5:52
протоны но не пропускает электроны А мы знаем что атом водорода самый простой
5:58
атом он как раз состоит из одного протона и одного электрона значит весь
6:04
атом водорода не может проникнуть через эту мембрану что же ему остаётся делать
6:10
получается что атому водорода приходится разделиться на Протон и Электрон для
6:17
этого используются специальные катализаторы которые позволяют ему это сделать Протон может спокойно пройти
6:25
через эту Протона обменную мембрану не зря же она называется прото обменная а
6:31
электрону приходится проходить через внешнюю цепь и попутно мы можем
6:37
заставить его крутить наш электродвигатель таким образом водород
6:43
не сразу попадает к кислороду а вынужден разделиться на Протон и
6:48
Электрон Протон проходит одним путём кислороду а Электрон другим и пока
6:54
Электрон проделывает этот путь мы можем использовать его энергию
7:00
В чём состоит большое преимущество такого топливного элемента по сравнению
7:05
с тем как если бы мы просто сжигали водород углерод или что-нибудь
7:11
ещё Ну во-первых самое главное На мой взгляд преимущество что для этого не
7:16
требуется высокая температура мы знаем что высокая температура – это всегда плохо потому
7:24
что высокая температура приводит к износу материалов которые вынуждены эту
7:31
высокую температуру выдерживать высокая температура – это не очень экологично и
7:36
не Очень безопасно потому что мы знаем что наш воздух состоит из азота и
7:42
кислорода в обычном состоянии они не реагируют друг с другом но Чем выше
7:47
температура тем больше вероятность реакции между ними а при высоких температурах они могут реагировать и
7:54
образовывать ядовитые вещества оксиды азота получается что даже если если у
7:59
нас есть где-то абсолютно чистая абсолютно чистый воздух который мы нагреваем до Большой температуры то он
8:06
уже становится не таким чистым и не таким безопасным каким был до этого
8:12
Кроме того если у нас попадает пыль или какие-то ещё органические соединения в
8:17
область с высокой температурой они тоже Разумеется спека с ними происходят
8:22
химические реакции и тоже выделяются не очень-то полезные для организма вещества Поэтому
8:30
если мы переходим от просто сжигания к топливному элементу у котором в котором
8:36
нет высокой температуры то это очень благоприятно сказывается на нашем
8:41
устройстве а Константин Петрович Я может быть ошибаюсь Но если вспомнить так
8:47
девятый класс где уже начинают или десятый где начинают говорить о термодинамике то если мы говорим о
8:53
высокой температуре то фактически мы начинаем гореть вселенную А если мы напрямую получаем электрический ток то
9:00
это по идее должно нам повысить коэффициент полезного действия использования такого топлива или я
9:07
сейчас глупость сказал Да вы сказали Совершенно правильно И это ещё одно
9:12
громадное преимущество тепловые двигатели они в принципе не могут обладать очень высоким
9:19
КПД для того чтобы их КПД был высоким нужны очень высокие температуры это
9:25
действительно закон термодинамики теплота это когда атомы двигаются хаотично А мы
9:32
хотим это не упорядоченное движение превратить в какое-то упорядоченное размеренное движение например нашего
9:40
автомобиля есть такой фундаментальный закон что не упорядоченное движение
9:45
никак не может полностью превратиться в упорядоченное там всегда есть довольно
9:50
значительные потери и двигатели внутреннего сгорания Хорошо
9:56
если 1 дется при сгорании топлива расходуется
10:02
на движение автомобиля А 2/3 приблизительно расходуется К сожалению
10:07
на Как вы правильно сказали нагревание Вселенной что касается топливных
10:13
элементов то они не являются тепловыми машинами там нет такого что энергия
10:18
сначала превращается в тепло а потом уже в движение мы берм энергию топлива и
10:24
сразу непосредственно Превращаем е в электрическую энергию можем использовать
10:29
в электродвигателе поэтому КПД топливных элементов он действительно гораздо выше
10:36
чем КПД двигателей сгорания где топливо сгорает может доходить до 60-80 про и
10:44
даже больше Поэтому такие преимущества есть у
10:49
водородного топлива но когда-то я был маленьким и меня учили техники безопасности сосудов
10:57
работающих под давлением в том числе и работе с водородом и меня учили что водород – это Страшная штука с точки
11:03
зрения образования гремучей смеси с кислородом или с воздухом в котором есть
11:10
21% кислорода и поэтому ховайся Кто в Бога верует потому что хранение водорода
11:16
обращение с водородом требует колоссальных таких условий и плясок с
11:22
бубнами чтобы не взорваться чтобы сохранить всё это в безопасности и мы выходим уже на большие системы
11:29
касающиеся хранения водорода как топливо Или я ошибаюсь Совершенно правильно вы
11:35
говорите ну не может такого быть чтобы было так много плюсов и никаких минусов
11:41
минусы У водородной энергетики тоже есть и их даже может быть ещё больше чем
11:47
плюсов и первый минус вы Совершенно правильно сказали к сожалению
11:52
водород является газом в отличие от углеродного топлива от нефти
11:59
от торфа и чего-нибудь ещ Что является жидкостями или твёрдыми телами значит
12:05
если мы хотим использовать газообразное топливо то нам необходимо хранить его
12:11
под высоким давлением А если высокое давление – это всегда опасность это
12:16
всегда надо думать о том что вдруг где-нибудь будут утечки и тому подобное То есть это очень сильно усложняет нашу
12:24
систему и усложняет использование водорода Роме того мы говорили что атом
12:30
водорода он самый маленький и самый лёгкий из всех существующих в природе с
12:36
одной стороны это большой плюс Потому что если атом лёгкий то мы можем в 1 кг
12:42
запихнуть очень много таких атомов и получить из них очень много энергии Но с
12:47
другой стороны этот атом благодаря своему маленькому размеру легко
12:53
проникает в самые различные материалы и поэтому чтобы его хранить нужен СТ
12:59
какой-то баллон очень крепкий и с очень толстыми стенками Кроме того действительно очень
13:06
редко такое бывает чтобы дрова или даже нефть или бензин взяли и вот загорелись сами собой а водород является очень
13:14
взрывоопасным материалом и он взрывается гораздо легче чем любое
13:22
углеродное топливо которое мы можем себе представить Роме того
13:27
есть водорода не существует на Земле в чистом
13:33
виде то есть конечно водород является распространённым элементом из него состоят звёзды во многом и из него
13:40
состоит межзвёздный газ и тому подобное Но вот такого чистого водорода в чистом
13:46
виде на земле не существует это и не удивительно потому
13:51
что водород очень лёгкий газ он поднимается вверх в верхние слои атмосферы А кроме того благодаря своей
13:59
лёгкости его молекулы могут разгоняться до очень больших скоростей потому что в
14:06
атмосфере все молекулы имеют одинаковую энергию А вот скорость у них не одинакова у тяжёлых молекул маленькая
14:13
скорость А у лёгких большая скорость молекул водорода такая большая что они
14:19
могут преодолевать Земное притяжение и Улетать в космос поэтому даже если бы и
14:24
был бы где-нибудь на земле водород в свободном виде он бы улетел в космос и
14:29
его не осталось бы Поэтому мы вынуждены добывать водород из каких-то других
14:37
соединений у нас есть очень много воды которая как известно H2O У нас есть
14:43
природный газ который CH4 и который является на сегодня самым таким основным
14:50
самым ходовым источником водорода Ну и в общем-то и в земле и Практически во всех
14:56
природных соединениях и даже в нашем теле водород в каком-то довольно заметном количестве присутствует
15:04
но получается прежде чем его использовать мы должны его добыть значит
15:10
прежде чем использовать его энергию мы должны затратить энергию для того чтобы
15:16
его получить поэтому получается что в целом таком глобальном энергетическом балансе
15:24
он для нас как будто бы бесполезен то есть мы должны ВС равно какое-то
15:29
углеродное топливо Ну или может быть использовать какую-то атомную энергию или ещё какую-то энергию для того чтобы
15:35
его получить и только после этого эта энергия может выделиться в двигателе
15:42
нашего автомобиля или где-нибудь ещё но с другой точки зрения Мы привыкли к тому
15:47
что мы не умеем хранить электричество но мы умеем хранить либо углеродное топливо
15:53
либо водородное топливо как аккумулятор энергии и дальнейшим образом преобразовывать обратно получать
16:00
электричество наверное так согласен То есть получается что это скорее не
16:05
источник энергии а скорее способ сохранить ту энергию которую мы получили
16:11
из другого источника то есть в этом плане вы
16:17
совершенно правы Ну единственная польза для окружающей среды которая здесь может быть что мы можем не сжигать бензин или
16:26
не сжигать углерод где-то вот в городах миллионниках где много людей вынуждены дышать вот этими выхлопными газами мы
16:33
можем где-то сделать хорошо оборудованный завод по производству
16:39
водорода там будет сжигаться какое-то углеродное топливо которое будет эту
16:44
энергию обеспечивать там все эти выбросы будут хорошо улавливать и не загрязнять
16:50
атмосферу а потом уже в городах и где-то там где живут люди где они этим дышат
16:56
там уже будет использоваться водородное топли Вот только в этом может быть его
17:03
преимущество Ну и конечно мы не сказали самого главного что
17:08
результатом соединения водорода с кислородом является вода экологически
17:15
безвредный материал и безвредное вещество Поэтому вот в этом большой плюс
17:21
по сравнению с углеродом который при окислении образует газ кой не так уж
17:28
вреден Но конечно гораздо менее приятен чем просто вода но пытливый школьник
17:35
который приходит физику который изучает вернее Окружающий мир ему сообщают что на нашей
17:42
планете есть воздух в котором 21% кислорода и аж 78% азота и уже в старших
17:51
классах у школьников учат тому что вообще-то есть у нас Зелёная масса на
17:56
нашей планете которая питается не только углеродом она использует и азот в качестве удобрения может быть что-нибудь
18:03
с азотом можно сделать Ну как-то азот не горит в наших печках нигде поскольку он
18:09
азот Ну только лишь баласт Казалось бы для дыхания согласен поэтому давайте сейчас
18:16
мы забьём последний гвоздь в крышку гроба водородной энергетики и рассмотрим
18:25
Что нам может предложить азот всего того что мы сказали все вот
18:30
эти водородные двигатели водородные источники требуют катализаторов как
18:36
правило это платина или какие-то металлы эти катализаторы трудно добывать при их
18:43
добывании наносится тоже вред окружающей среде их трудно утилизировать и Кроме
18:48
того запасы таких катализаторов не так уж велики Поэтому пока водородная
18:54
энергетика Получается примерно такой же грязной и гораздо более дорогой нежели
18:59
чем традиционное углеродное топливо и но тем не менее это не повод от неё
19:06
отказываться потому что в науке часто так бывает что пока технология не развита она не такая выгодная не такая
19:13
удобная но потом мы находим всё новые катализаторы новые решения новые какие-то способы использования энергии и
19:21
очень хорошо когда у нас есть несколько энергетик конкурирующих и когда та или иная благодаря каким-то новым научным
19:27
открыти может вырваться вперёд в будущем водородная энергетика тоже развивается и
19:34
я хочу сказать что ротом уже анонсировал запуск водородных поездов на острове
19:42
Сахалин осталось уже буквально несколько лет один или 2 года до того как они
19:48
будут запущены и Недавно была новость что в Китае уже испытан самолёт с
19:54
водородным двигателем на Вот таких водородных элемента который может успешно взлетать
20:02
садиться и Значит уже вот водородное топливо может использоваться в
20:07
авиации Таким образом у нас получается уже два элемента углерод и ещё мы к ним
20:13
добавили водород и здесь конечно самое время перейти к азоту то есть поискать в
20:19
таблице Менделеева ещё какие-то элементы какой-то третий элемент который
20:24
тоже мог бы хотя бы в чём-нибудь составить конкуренцию углероду и
20:29
водороду Ну мы конечно должны искать где-то в начале таблицы среди лёгких
20:35
элементов потому что как мы говорили мы хотим получить как можно больше энергии на Килограмм веса Поэтому нам конечно
20:41
интересны те элементы те атомы которые не слишком тяжёлые И если мы посмотрим
20:48
после водорода то мы увидим там гелий который является совершенно инертным
20:54
химическим элементом ни с чем не взаимодействует и поэтому как-то его расшевелить чтобы использовать в виде
21:00
топлива вряд ли получится дальше мы там видим литий и бериллий это литий довольно редкий
21:08
металл довольно дорогой запасы которого ограничены он очень нужен в литий ионных
21:13
аккумуляторах о которых может быть если будет возможность мы поговорим ещё в будущем но в качестве топлива его
21:20
использовать это всё равно что просто деньгами какими-то огромными купюрами
21:25
растапливать печку дальше идёт уже упоминавшиеся нами углерод и сразу после
21:32
него идт азот азота тоже У нас есть большие запасы Как вы правильно сказали
21:37
это просто воздух которым мы дышим он состоит в основном из азота и мы знаем
21:43
что воздух не горит как правило не вступает ни в какие химические реакции
21:49
Это всё потому что воздух состоит не просто из атомов азота а он состоит из
21:54
молекул азота в этой молеку два атома азота
21:59
которые связаны между собой очень крепкой тройной химической связью Вот
22:05
это химическая связь между атомами азота является самой крепкой вообще из
22:11
всевозможных химических связей которые только могут образовываться Поэтому с одной стороны
22:18
молекулу азота очень трудно разорвать Но с другой стороны если уж она каким-то
22:24
образом разорвана то при воссоединении этих атомов при образовании молекулы
22:30
азота выделяется очень большая энергия которая ещё больше чем та которую можно
22:36
получить при сжигании углерода или водорода поэтому представляют очень
22:43
большой интерес такие соединения азота в которых нет молекул азота нет вот этих
22:51
N2 атомов связанных в молекулы А есть просто атомы азота которые могут быть
22:59
связаны не тройными связями А хотя бы может быть одинарными или двойными вот
23:05
когда мы говорили об углероде мы вообще не упоминали кратность связей нам было примерно всё равно какими там связями
23:13
связаны атомы углерода друг с другом Это потому что двойная углеродная связь она
23:18
примерно в два раза энергетич чем одинарная а тройная Примерно в три раза
23:24
поэтому Ну нет особенной разницы значит там три одинарных связей или полторы двойных
23:31
или одна тройная для углерода энергетической разницы практически нету
23:37
А вот для азота ситуация совсем другая одинарная связь и двойная связь они
23:43
сравнительно слабые А вот тройная связь она обладает очень большой энергией
23:49
поэтому основная идея азотного топлива состоит в следующем нужно взять какое-то
23:55
соединение где атомы азота были бы связаны одинарными или двойными связями
24:03
а потом позволить ему испытать химическое превращение когда эти одинарные связи превратятся в тройные то
24:10
есть пусть даже три одинарные связи разорву и превратятся в одну тройную это
24:15
будет очень выгодно энергетически и мы сможем получить таким образом большую
24:23
энергию этот механизм можно подсмотреть и действительно
24:28
мы знаем что там вот нашу мускульную силу нам дают молекулы АТФ где
24:35
а присутствует азот её можно посмотреть и в технике например основой для
24:41
ракетного топлива является А такое соединение
24:57
связано не тройной связью А вот как раз одинарной это соединение известно тем
25:04
что оно очень неустойчиво что его надо очень аккуратно хранить что на воздухе
25:09
оно сразу вступает в химические реакции но тем не менее в качестве ракетного
25:15
топлива его можно использовать Ну а конечно самым интересным самым таким
25:22
выгодным самым лаковым топливом для Энергетиков могло бы быть тако
25:27
соединение которое состоит только из азота Потому что если мы добавляем кроме
25:33
азота ещё какие-то элементы они отъедается у нас массу отъедается объём
25:38
У нашего топлива и мало участвуют в производстве энергии поэтому самый идеал
25:45
это были бы было бы какое-то вещество которое состоит из азота но не
25:51
молекулярного азота как наш воздух где есть тройные связи и молекулы N2
25:58
а из какого-то азота немолекулярного где атомы азота были бы связаны одинарными
26:04
или двойными связями А как тогда обмануть природу если она стремится к сверхпрочное
26:11
тройной связи а как нам сделать чтобы там были одинарные связи Это какая-то
26:16
загадка фактически с конструирования невозможно вот это действительно очень
26:23
сложно То есть если мы видим
26:29
то атомы азота как правило они стремятся действительно образовать тройную связь 2
26:35
и очень трудно получить не молекулярный азот долгое время считалось что это
26:42
невозможно есть такой известный учёный может быть один из самых известных
26:47
современных физиков довольно вероятный претендент на Нобелевскую премию Михал
26:53
иванови еремец между пром выпускник фи Он был первым кто
27:00
а впервые получил не молекулярный азот под очень высоким
27:06
давлени у него были такие сверх твёрдые алмазные наковальни которыми он мог
27:12
сжимать какой-то маленький кусочек кристалла Где находился Азот И вот под
27:17
давлением очень большим невообразимо большим примерно миллион
27:23
атмосфер действительно удавалось стабилизировать
27:28
азот в такой вот не молекулярной форме физикам это очень понравилось
27:35
энергетикам это очень понравилось У всех загорелись глаза и было большое
27:41
количество исследований в том числе и наших и по всему миру направленных на
27:46
поиск каких-то не молекулярных форм азота которые могли
27:51
бы использова в качестве топлива всех уних остаётся один большой
27:59
недостаток они очень взрывоопасные очень реакционно способны ведь А когда мы от
28:06
топлива хотим получить энергию здесь действует принцип бизнеса Мы сначала
28:12
должны вложить какую-то энергию поджечь наши дрова а потом уже наши дрова
28:17
начинают гореть И отдают нам энергии гораздо больше чем мы вложили но всё равно есть какой-то порог начальный А
28:24
какое-то количество энергии которое надо вложить и вот что касается азотного топлива то
28:31
этот порог очень маленький если у нас есть какой-то немолекулярное соединение азота достаточно чихнуть на него подуть
28:39
на него чуть-чуть его ударить и оно сразу же взрывается моментально выделяя
28:45
всю вот эту энергию я себя почувствовал каким-то пенкроф на на таинственном
28:51
острове Где капитан не застрял в своей подводной лодке когда сарос Смит научился вернее
28:58
показал несчастным разбившихся беглеца на воздушном шаре Как делать
29:04
Нитроглицерин Страшная штука которая была взрывоопасной которой эти Беглецы
29:10
дроби скалы получается во азоте тоже в Нитро вот этом хранится большая запас
29:17
энергии так получается Совершенно правильно почти все взрывчатки где надо вот именно много энергии они делаются на
29:25
основе азота потрясающе но всё-таки вы говорите О
29:31
чистом азоте где вообще нету других элементов то есть только чистый азот
29:37
чихнуть подуть всё просто Но мы же хотим его застали Зро вообще возможно ли
29:43
это ну учёные двигаются по двум направлениям первая группа учёных
29:52
принимает такую идею что раз чистый азот не может быть молекулярной форме то
29:59
давайте мы сделаем какое-то соединение Богатое азотом Но это будет не чистый азот а будут какие-то примеси эти
30:06
примеси будут направлены просто на то чтобы его застали Зро То есть это будет
30:11
такой балласт с точки зрения выделения энергии Но это будет выгодно с той точки
30:17
зрения что а азот не будет взрываться сам собой не будет выделять эту энергию
30:23
непроизвольно А можно будет хоть как-то это контролировать это одно направление
30:28
которое успешно развивается есть другая группа учёных которые говорят нет если
30:34
мы добавим к азоту какое-то какие-то ещё атомы то это очень сильно снизит его
30:43
энергоёмкость потому что Ну желательно как-то Каждый атом азота окружить другими атомами а это значит что других
30:49
атомов будет не меньше чем атомов азота а может быть и больше а это значит что и
30:55
весить Они будут как минимум половину от того что весит азот А может быть даже и
31:00
больше а значит всё вот это преимущество в высоко энергетич азота оно потеряется
31:07
и поэтому идея состоит в том чтобы найти какую-то укладку придумать каким-то
31:12
образом как уложить эти атомы азота как их разместить чтобы они всё-таки могли
31:18
устойчиво а находиться в не молекулярном состоянии и вот была такая работа у меня
31:26
был Грант на выполнение этой работы мы
31:31
пробовали методами компьютерного моделирования взять атомы азота и придумать какую-то форму каким образом
31:39
их можно было бы разместить здесь вот это то место где химия очень плотно
31:45
перекликается с геометрией и может быть даже с архитектурой то есть надо найти
31:50
какой-то узор найти какой-то способ
31:56
укладки довольно много требований к тому как именно эта укладка Должна
32:01
осуществляться какие там должны быть углы Какие должны быть расстояния сколько соседей должно быть у каждого
32:08
атома азота и тому подобное А вот такая геометрическая интуиция и какое-то
32:13
эстетическое чувство позволяет находить те или иные укладки и проверять
32:20
насколько они устойчива надо сказать что наша работа была обширной мы исследовали просто
32:27
очень большое количество возможных азотных форм но получили в основном
32:33
отрицательный результат то есть получилось что как бы мы хитро не
32:39
укладывали бы вот эти атомы азота Какие бы красивые
32:44
ажурные формы мы для них не придумывали Какие бы красивые здания можно сказать
32:49
так в кавычках мы не выстраивали из них для того чтобы получить Кристалл
32:55
немолекулярного азота из не получа Мы даже привлекли к помощ искусственный
33:01
интеллект и машинное обучение которые могли анализировать огромное количество
33:07
разных конфигураций геометрий таких которые невозможно было бы уместить в
33:14
человеческую голову и невозможно было бы проанализировать но И несмотря на это мы
33:19
получили в основном
33:25
от будто там где-то в кустах улыбается Чеширский кот и давайте мы сделаем
33:31
маленькую паузу поставим маленькое Многоточие потому что это надо осмыслить
33:37
это надо понять как мы от водородной и углеродной энергетики движемся в сторону
33:42
удивительных построении из невозможного азота и нашим зрителям и нашим
33:47
радиослушателей что все эти выпуски российского радиоуниверситета Вы можете посмотреть и послушать на Медиа
33:53
платформе смотрим ВГТРК сайт smotrim.ru YouTube канал Дмитрий нахи это наш специальный проект МИФИ создание энергии
34:00
мы в гостях у доктора физико-математических наук Константина Петровича Катина и мы говорим о пока
34:06
невозможной физике и химии азота но которая явно в ней что-то прячется и мы
34:11
об этом поговорим после небольшого перерыва не переключайтесь будет только
34:17
интереснее это российский радиоуниверситет в студии Дмитрий кононыхин мы в гостях у замечательного
34:22
физика доктора физико-математических наук Константина Петровича Тина Московском инженерно-физическом
34:27
институте мы говорим о невозможной химии чистого азота который можно вроде бы
34:33
попытаться собрать в какие-то удивительные конструкции где будет только один азот но он будет между собой
34:39
связан одинарными связями или двойными Ну скорее всего одинарными связями и тут-то будет целый сундук или целый
34:47
океан энергии и мы говорим о создании новых топливных химических топливных элементов но Константин Петрович вы
34:54
начали говорить о том что это путь от вот он Услон и существует только в мире
35:01
больших давлений вы пытались создать вот эти структуры складывать вот эти атомы
35:06
азота с помощью суперкомпьютерного моделирования искусственного интеллекта но сказали что у вас ничего не
35:12
получилось но ну здесь есть всегда некоторый компромисс между температурой
35:18
давлением и устойчивостью низкие температуры и большое давление означает
35:24
высокую устойчивость высокие температуры низкие давления
35:29
означают меньшую устойчивость мы говорили что первый образцы немолекулярного азота
35:37
были устойчивы при давлении примерно в миллион атмосфер и дальше пошла такая
35:43
планомерная работа над тем чтобы понижать это давление чтобы от
35:50
миллиона атмосфер перешли к 800.000 к 500.000 и сечас уже современные работы
35:58
предсказывают 300 и даже 200.000 атмосфер необходимых для стабилизации
36:05
немолекулярного азота это конечно тоже очень много поэтому с точки зрения
36:11
например техники Ну что миллион атмосфер что 200.000 и то и
36:16
то практически невозможно невыгодно реализовывать в промышленных масштабах
36:21
но тем не менее это показывает что идёт Прогресс И все кто работает в этой области они отмечают там каждые 100.000
36:30
каждые 50.000 понижения необходимого давления и поэтому это это показывает
36:37
что Прогресс есть и весьма вероятно что удастся найти какие-то формы
36:43
немолекулярного азота более или менее устойчивые Вот это очень принципиальный момент более-менее устойчивые При каких
36:50
условиях всё-таки есть же какая-то цель какая-то Чаша Грааля котором вы в физике
36:55
идёте какую-то задачу вы перед собой ставите Ну то есть это давление оно
37:00
должно Ну хотя бы быть какой-то Ну в пределах Ну тысячи наверное атмосфер с этим наша техника справится А дальше
37:07
металлы потекут Ну то есть то что доступно нам в наших технологиях А какие
37:12
вы цели ставите Ведь всё-таки вы же не просто удовлетворяете своё научное любопытство за государственный счёт Ну
37:19
примерно к таким давления мы идём и даже я бы сказал что мы идём к давления в
37:27
к обычным давления к обычному давлению в одну атмосферу это наша цель она пока не
37:34
достигнута далеко не достигнута хотя определённые успехи в этом направлении есть И если посмотреть на вот
37:41
параллельную ветку где учёные пытаются добавить к азоту какие-то ещё
37:47
стабилизирующие элементы то у них уже получается создавать материалы богатые
37:53
азотом и при этом устойчивые при обычном давлении и мы таким образом как бы обогащаем друг друга
38:01
и значит идеи какие-то друг у друга заимствует мы нашли какой-то чисто
38:09
азотный Кристалл который устойчивее Чем были другие кристаллы которые были до
38:14
этого А те кто занимаются азотом с примесями они берут вот эту нашу архитектуру в слабых местах добавляют
38:22
какие-то примеси чтобы сделать поучи И вот они уже получают богатые азотом
38:27
топливо устойчивое при нормальном давлении потрясающая история потрясающая
38:32
история Я прошу прощения но я когда-то был маленький и случайно летом купил книжку Гана келлера где он говорил такой
38:40
трактат о снежинках и этот человек фантастически просто показал что почему
38:47
снежинки шестиугольные потому что это такая фигура которая наиболее близка к
38:52
кругу имеет минимальные размеры и он подарил своему патрону своему сюзерен
38:58
это рассуждение фактически одно из таких основ топологии будущей нашей
39:03
современной науки получается что ваша Как вы сказали наука которая близка и
39:10
геометрии и физике она в том числе и о вот этой упаковке атомов но уже на
39:16
уровне не просто то бы мы сказали узоров а скорее пространственных каких-то трёхмерных образований то есть здесь
39:25
уже просто умолкай но это что-то очень интересное с точки зрения Вот именно поиска вот этих структур Как Вам эти
39:32
структуры вам доставляют Они эстетическую у довольствие вы видите в них красоту Да они действительно
39:38
красивые а одним из этапов нашей работы был как раз поиск каких-то многогранников можно
39:45
так сказать объёмных снежинок из атомов азота которые могли бы быть устойчивыми
39:51
они вот являются не выпуклыми такими как шарик а они являются скорее испускают из
39:59
себя такие лучи отростки как будто лучи от звезды поэтому они имеют специальное
40:04
название астрале от слова астро звезда и
40:09
большое количество таких структур мы действительно использовали но а как не
40:16
удивительно Как часто бывает в науке Ларчик открывался просто и получилось
40:22
так что всё-таки с самыми устойчивыми самыми перспективными
40:27
кластерами азота оказалась треугольная пирамидка состоящая из четырёх атомов
40:34
Это правильный тетраде и Кубик состоящий из шести атомов вот такие совсем
40:40
маленькие кластеры совсем простой формы они оказались самыми устойчивыми
40:47
наверное кубик всё-таки легче себе представить Вот это кубик у него есть восем вершин из каждой вершины исходит
40:55
три ребра и вот эти рёбра – это как раз и есть одинарные связи между двумя
41:01
атомами азота азот может образовать всего три одинарных связи и поэтому вот
41:07
как раз три одинарные связи со своими соседями Каждый атом и
41:13
образует получается вот этот кубик Ну он более-менее устойчив Но если у нас
41:20
обычное атмосферное давление он конечно требует криогенных температур его надо
41:25
охладить там до ми1 -150 граце так чтобы он более-менее
41:32
мог существовать и Хорошо себя чувствовать Прошу прощения Это уже
41:39
температуры жидкого азота это температуры природного газа сжиженного
41:44
природного газа То есть это технологически в принципе достижимый уровень и он относительно
41:50
дёшево Ну относительно шев Да и действительно то есть такие
41:56
молекулы можно производить можно использовать но вс-таки возить с собой какую-то
42:02
холодильную установку ещё там в автомобиле или где-то это конечно
42:09
нежелательно хочется найти какое-то такое материало
42:19
вечеслава один из возможных выходов – это делать какие-то для них нанон
42:26
то есть мы могли бы взять тот же углерод у которого очень много вот таких форм в
42:33
виде каких-то замкнутых каркасов замкнутых структур с полостями внутри и
42:39
вот если кубик из азота поместить в такую полость или пирамидку то там получается
42:46
как бы эффективно создаётся вот такое большое давление и он остатся устойчивым его
42:53
таким образом можно хранить транспортировать и так далее но здесь опять же мы перескакивая из той ветки
43:00
учёных которые хотят сделать чисто азотные материалы в ту ветку где
43:05
разрешается добавлять какие-то примеси для того чтобы сделать материал более устойчивым
43:12
получается мы должны вести не только топливо в виде вот этого азотного кубика но мы должны ещё иметь контейнер для
43:20
того чтобы его стабилизировать масса этого контейнера
43:26
она конечно может быть больше чем масса самого топлива и тогда преимущество Вот
43:31
в такой энергоёмкость теряется Ну у азота есть ещё и другое преимущество о
43:38
котором я хочу сказать А когда мы обсуждали топливо вот водородное или
43:44
углеродное то мы говорили о том что они окисляются они соединяются с кислородом
43:51
кислородом воздуха мы как-то этого не не отслеживаем нам кажется что Вот мы
43:58
купили бензин и вот поэтому бензин – это топливо а воздух который ещё есть вокруг
44:03
Ну это вроде как бесплатно он везде есть поэтому это не топливо хотя на самом
44:09
деле если строго говорить с химической точки зрения то мы вынуждены были не только сжечь бензин но и потратить
44:16
кислород из воздуха и количество этого воздуха тоже очень значительно мы говорим что у нас в результате реакции
44:22
получается CO2 то есть на оди углерода нам нужно два атома
44:30
кислорода если вдруг например примут такой закон что в городах например
44:36
нельзя сжигать кислород А если вы хотите ехать на автомобиле и жечь кислород то
44:43
покупайте его где-то и везите с собой отдельно или если мы говорим о какой-нибудь ракетной ракетном топливе а
44:50
каком-то космическом корабле который летит там где воздуха нету или где атмосфера разрежена то в этом случае это
44:58
становится существенным и тут вылезает преимущество азота которое состоит в том
45:04
что ему не нужен кислород азот соединяется атомы азота соединяются друг
45:10
с другом это не процесс окисления и поэтому в этом
45:16
плане азот предпочтителен Ну и ещё одна сильная сторона азота
45:23
которая может быть как-то может немножко скрасить его недостатки состоит в том что продуктом реакции являются в любом
45:31
случае молекулы N2 то есть по сути дела Воздух это такой же экологически чистый
45:39
продукт как и вода Поэтому в этом плане азот имеет
45:45
преимущество таким образом если посмотреть как мы прошлись по таблице Менделеева то получается что мы нашли
45:52
три более-менее подходящих элемента углерод это который традиционный Лидер с
45:58
древнейших времён Ну и вряд ли кто-то сможет с ним как-то
46:03
посо это водород который активно развивается Мы
46:09
видим что уже и поезда и самолёты и в России есть специальная программа
46:14
водородной энергетики и видимо что какую-то часть какие-то применения вот
46:24
оттянешь новым с этой точки зрения материалом технологически пока совершенно
46:31
непригодным но всё-таки он используется и в ракетных топлива и в человеческом
46:38
организме и это даёт надежду что мы всё-таки решим как-то проблемы связанные с азотом и рано или поздно он тоже
46:45
займёт своё какое-то Пусть маленькое пусть третье место в среди этих
46:52
элементов которые могут использоваться в качестве топлив потрясающая история Константин Петрович
46:58
потому что она говорит о том что человеческий гений он движется и исследуя из X
47:06
века геометрию снежинок Он может говорить О другой укладке атомов и
47:12
придумывать новые молекулы новую энергетику и выстраивать эти удивительно
47:18
красивые рисунки и всё это всё это доступно человеку Я очень хотел бы
47:23
увидеть когда-нибудь азотно топ Ну и может быть что-то другое и главное чтобы
47:29
это не бахнуло как-то слишком не развороту первую машину но всё-таки это
47:34
очень красивая история и я благодарю Вас за этот рассказ нашим зрителям и нашим радио слушателям я Напоминаю что все эти
47:41
выпуски российского радио университета Вы можете посмотреть и послушать на Медиа платформе см ВГТРК сайт smm.ru
47:47
YouTube канал Дмитрий кононыхина А мы продолжим наши беседы с Константином петровичем
47:53
катим ну помоему красивых историях из мира создания новых веществ новых
48:00
молекул наномир физической химии химической физики всё то что составляет
48:06
передний край науки Константин Петрович Я благодарю Вас за этот рассказ всего хорошего до свидания Спасибо до свидания