Лаборатория химии высоких давлений: История

Идея использования Высоких Давлений (ВД) в работах российских академических институтов принадлежала академику Н.Д. Зелинскому.

По его инициативе в Институте Органической Химии (ИОХ) АН СССР в 1938 году была организована лаборатория сверхвысоких давлений. 

Заведовать этой лабораторией был приглашён сотрудник Харьковского политехнического института Леонид Фёдерович Верещагин (1909–1977).

В 1951 году ректором МГУ академиком А.Н. Несмеяновым было принято решение о создании на химическом факультете МГУ специальной кафедры для подготовки специалистов в области исследований физики и химии вещества в условиях высоких давлений. 

Руководство кафедры также было предложено Л.Ф. Верещагину. Приказом МГУ от 14.12.1953 Л.Ф. Верещагин был утверждён в должности профессора химического факультета, а затем – в должности заведующего кафедрой физики и химии высоких давлений (1954 г). 

Этот год следует считать годом официального открытия кафедры физики и химии высоких давлений, хотя специальный корпус для неё был построен только в 1957 г. 

Первыми сотрудниками создаваемой кафедры стали кандидат химических наук А.В. Билевич (впоследствии зам. зав. кафедрой) и выпускник химического факультета МГУ (1950) Я.А. Калашников, а также инженеры А.А. Щетинин и И.Н. Поландов. 

Одновременно в лаборатории сверхвысоких давлений ИОХа уже с 1951 года первой группе студентов химического факультета МГУ читались два курса лекций: «Физическая химия высоких давлений» (Я.А. Калашников) и «Физика и методы создания высоких давлений» (Л.Ф. Верещагин). В числе первых студентов была Е.В. Зубова, которая в 1954 году стала первой аспиранткой кафедры. 

Этапы научной деятельности кафедры и её тематика, предложенная руководителем кафедры Л.Ф. Верещагиным, касались в основном исследования сжимаемости газов под давлением, исследования веществ при ВД методом рентгенографии и ЯМР, изучения влияния ВД на процессы полимеризации стирола и метилметакрилата. 

Для интенсификации этих исследований Л.Ф. Верещагин организовал в 1957 г. на кафедре две лаборатории: физики высоких давлений и химии высоких давлений, которыми руководил лично вплоть до 1977 г. 

Бурное развитие новой техники и технологии в 1950-е годы сразу и неразрывно связали научные исследования кафедры с промышленностью. Синтез искусственных алмазов, синтез и исследование новых материалов со специальными свойствами (сверхтвердые материалы, полупроводники, сегнетоэлектрики), термодинамика фазовых превращений, свойства газов в экстремальных условиях, магнитно-резонансные исследования при высоких давлениях – вот далеко неполный перечень научных и технологических проблем, которые решала кафедра и лаборатории до конца 1970-х годов. 

Наиболее эффективное и наиболее практически значимое направление, связанное с синтезом искусственных алмазов, возглавил Ярослав Алексеевич Калашников. В 1963 г. он совместно вместе с В.М. Фекличевым, И.В. Никольской и И.С. Сухушиной впервые в мире получил лучисто-радиальную форму алмаза (баллас), которая обладает прочностью даже более высокой, чем монокристаллы алмаза.

Сразу же после успешного синтеза этого полиморфа началось внедрение его технологии в отечественную промышленность на Московском комбинате твердых сплавов, в Украинском институте сверхтвердых материалов и на Полтавском заводе искусственных алмазов. 

Наряду с отработкой методов синтеза алмазов и работами по практическому их использованию, сотрудниками кафедры проводились исследования физико-химических свойств получаемых веществ и изучение механизма синтеза алмазов. 

Последний вопрос представляет наибольший научный интерес и в полном объёме остаётся не решённым и по сегодняшний день. По тематике, связанной с синтезом сверхтвердых материалов, защищено более 15 кандидатских диссертаций; одним из руководителей этих работ, Я.А. Калашниковым, защищена диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук (1978). 

Другим пионером кафедры – кандидатом химических наук Е.В. Зубовой и её группой – проводился чрезвычайно интересный цикл работ, связанный с изучением поведения вещества при одновременном действии ВД и сдвигового напряжения. 

Основными объектами исследований были простые и сложные оксиды, а основная цель изучения была связана с поиском ответа на вопросы геохимиков и геофизиков о состоянии веществ в недрах Земли – по крайней мере, до той границы, где давление составляет 400–500 кбар. 

В работах по исследованию синтеза и диэлектрических свойств сегнетоэлектриков со структурой перовскита, начатые на кафедре в 1966 году совместно с ВНИФХИ им. Л.Я. Карпова, принимали участие Е.В. Зубова К.П. Бурдина, Л.Г. Севастьянова и группа физиков под руководством И.Н. Поландова (В. Мылов, Н. Качалов, О. Гулиш, В. Черненко, Г. Исаев и др.). Лаборатории физики высоких давлений принадлежит приоритет в исследовании влияния давления на электродвижущую силу гальванических цепей. 

Систематические исследования Б.Р. Чурагуловым (1962 год) равновесий методом э.д.с. позволили выявить общие закономерности изменения растворимости солей в воде при высоких давлениях и были завершены с защитой им докторской диссертации. После скоропостижной смерти Л.Ф. Верещагина кафедрой кафедрой физики и химии высоких давлений с 1977-го по 1999 год заведовал выпускник химического факультета МГУ, профессор Кирилл Николаевич Семененко (1930–2000).

С его приходом лаборатория была перименована в Лабораторию химии высоких давлений. Научные интересы проф. К.Н. Семененко лежали в области химии гидридов, химических превращений при высоких давлениях, синтезе и изучении механизмов образования сверхтвердых веществ и материалов для аккумулирования водорода. 

При его участии и руководстве и активном участии внс, дхн В.Н. Вербецкого созданы научные и технологические основы производства некоторых гидридов легких металлов. Первые аккумуляторы водорода на основе гидридов интерметаллических соединений и сплавов , которые были использованы сотрудниками кафедры при создании в 1989 году совместно с ЗИЛ первого в мире грузового автомобиля, работавшего на бензо-водородной смеси. 

Молодые сотрудники лаборатории С. Митрохин и С. Клямкин, за успешные работы в области теоретических основ и прикладных аспектов гидридной технологии были удостоены премии имени Ленинского комсомола (1985). 

Под руководством док. хим. наук К.П. Бурдиной разрабатывалась химическая концепция механизма синтеза кубического нитрида бора (КНБ), Интерес к этому соединению обусловлен тем, что несмотря на несколько меньшую, чем у алмаза, твердость, КНБ более термостоек при высоких температурах и не реагирует с железом, что позволяет использовать его в инструментах для обработки черных металлов. 

По разработанной в лаборатории схеме, подтвержденной экспериментально, в условиях высоких давлений имеет место ряд химических процессов, в том числе процесс перитектического плавления образующихся комплексных нитридов, в ходе которого происходит кристаллизация КНБ. 

Вторая по значимости тематика лаборатории в начале 80 годов была связана с исследованиями в области химии и технологии различных аллотропных модификаций углерода и материалов на его основе. 

Эти работы начинались при участии В.В. Авдеева, С.Г. Ионова, В.А. Налимовой и Д.Е. Скловского и уже первые результаты показали, что использование техники высоких давлений для синтеза интеркалированных соединений графита с щелочными металлами приводит к получению веществ с максимально возможным содержанием интеркалята. 

В очень короткое время такие соединения, имеющие сверхплотную упаковку в графитовой матрице (даже более плотную, чем в чистом металле), были получены для всех щелочных металлов. 

Одновременно были развернуты исследования интеркалированных соединений графита с веществами акцепторного типа (кислоты Льюиса, кислоты Бренстеда и т.п.), применение которых позволил развить технологии (уже в рамках лаборатории химии углеродных материалов кафедры и ЗАО УНИХИМТЭК) ныне крайне востребованных углеродных материалов.

С 2000 года кафедрой физики и химии высоких давлений становится выпускник химического факультета МГУ, доктор химических наук (1982), профессор Борис Михайлович Булычев (р. 1941).

В 2004году кафедра объединяется с кафедрой химической технологии и получила название кафера химической технологии и новых материалов. 

Заведующим объединенной кафедрой назначен проф. В.В. Авдеев, а проф. Б.М Булычев остается заведующим лабораторией химии высоких давлений. 

Область его научных интересов – синтез и структурные исследования различных неорганических и металлорганических соединений и функциональных материалов на их основе для получения и хранения энергоемких газов (водорода, метана), использования в качестве бесфреоновых рефрижераторов и как катализаторов превращения олефиновых углеводородов, химия углерода, твердофазные реакции в условиях высоких давлений, гомогенный катализ. 

Работы, посвященные химии и научным основам технологии ковалентных гидридов легких непереходных металлов и выполненные под руководством профессоров К.Н. Семененко и Б.М. Булычева, были удостоены Государственной премии СССР (1986). Один из активных участников этих работ - П.А. Стороженко – ныне является доктором химических наук, чл.-корр. РАН и директором отраслевого института ГНИИХТЭОС. 

Позже эти термодинамически нестабильные соединения, используемые в качестве горючих высокоэнергетических добавок к топливам различного назначения, были получены в ходе твердофазных реакций, проводимых в жестко контролируемых РТ-условиях при давлении 40–50 кбар аспирантом С.К. Коноваловым (ныне чл.корр. НАН Украины и РАН РФ). 

Исследования по химии ковалентных гомо- и гетероядерных гидридных комплексов переходных и непереходных металлов, проводившиеся Б.М. Булычевым, Г.Л. Соловейчиком, С.Я. Княжанским (ныне оба сотрудники General Electric), А.И. Сизовым, Т.М. Звуковой (Архиреевой), Ю.К Гунько (ныне профессор Trinity College, Dublin) и др. привели к созданию эффективных катализаторов гидрирования и изомеризация высших олефинов, а развитие этой тематики, связанной с созданием систем пост-металлоценового типа, к катализаторам полимеризации, олигомеризации и сополимеризации всего ряда олефиновых углеводородов и получению сверхвысокомолекулярного полиэтилена и сверхпрочных нитей из него, эластичных сополимеров этилена с пропиленом и высшими олефинами, ряда олигомеров от бутенов до деценов. 

В настоящее время эти работы ведутся под руководством канд.хим.наук С.Ч. Гагиевой и к.фарм.н В.А. Тускаева. Опыт, приобретенный сотрудниками лаборатории в процессе исследований по химии и технологии различных углеродных материалов, позволил достаточно быстро включиться в работы по изучению химии аллотропных модификаций углерода – фуллеренов и карбинов, а также алмазных пленок. 

На кафедре синтезированы обычные и гиперфуллериды щелочных металлов, разработаны методы синтеза сверхпроводящих гетерофуллеридов по обменным реакциям щелочных фуллеридов с галогенидами переходных и непереходных металлов, метод синтеза карбинов и их интеркалированных щелочными металлами соединений путем реакции дегидрирования полиацетилена при давлении до 4 ГПа (асп. И. А. Удод). 

Последние успехи в этом направлении сделаны А.И. Сизовым, разработавшим метод синтеза алмазного прекурсора - полигидрокарбина, применение которого в синтез алмазных пленок позволило получить уникальные по электрофизическим характеристикам образцы этих материалов. В 2003 году с приходом в лабораторию снс, кхн А.В. Морозкина возникло новое направление исследований, связанное изучением особенностей синтеза, кристаллической структуры и магнитных свойств интерметаллидов редкоземельных металлов как основы для магнитных материалов различного назначения. 

В 2010-ые годы в научной группе лаборатории под руководством проф. С.Н. Клямкина развернуты работы, связанные с оценкой газосорбционной способности пористых материалов при сверхвысоких (до 2000 бар) давлениях. Для серии металл-органических координационных полимеров (MOF's)была исследована адсорбция водорода, метана, углекислого газа, в том числе, с привлечением методов теплопроводящей калориметрии (кхн Бердоносова Е.А.).

Новая для лаборатории тематика - создание композитных мембран на основе полимерных связующих и металлогидридных наполнителей для выделения водорода из содержащих его газовых смесей.