Совсем недавно у полупроводниковых преобразователей солнечной энергии в электрическую коэффициент полезного действия не превышал жалких долей процента. А сегодня он подпрыгнул до 7–10 процентов. И это, понятно, не предел. Ученые упорно изыскивают фотохимические катализаторы, которые позволят эксплуатировать даровые солнечные лучи с кпд 30–40 процентов. Но развитие науки о фото- и термоэлектрических процессах немыслимо без квантово-механического понимания явлений электронных.
Человек идет за Солнцем. Почему? Зачем? Как?
На первый взгляд кажется, будто нет особой нужды ловить солнечные зайчики. В самом деле: чем хуже солнечных лошадиные силы того же пара? А разве человек не запряг к тому же и атом? То ли будет впереди! На очереди — термоядерные электростанции. Уж тогда-то энергии будет хоть отбавляй.
Верно. Хоть отбавляй. Но надолго ли?
По расчетам советского ученого Иосифа Самойловича Шкловского, если каждое столетие объем производства будет удваиваться, то через 2500 лет он должен возрасти в 10 миллиардов раз! Это означает, что в 45 веке потребности землян в энергии составят величину космического порядка — 0,0001 «тотальной» мощности солнечного излучения. А возможности?
Подсчитано, что работа, которую способны дать все запасы атомного топлива, всего в 20–30 раз превосходит энергию горючих ископаемых, что лежат еще не добытые у нас под ногами. Спору нет, человечество овладеет секретом управляемого термоядерного синтеза. Тем не менее общая мощность термоядерных электростанций не может превзойти некоторый роковой предел. Академик Семенов считает, что это ограничение связано с перегревом земной поверхности и атмосферы. Так что едва ли удастся получать термоядерную энергию в количестве, большем 5–10 процентов солнечной энергии, поглощаемой нашей планетой и ее воздушным покрывалом. Вывод один: энергетические ресурсы Земли явно недостаточны для нормального развития общества разумных существ на протяжении нескольких тысячелетий.
Между тем при утилизации солнечной энергии перегрева Земли опасаться нет оснований. Солнце ежесекундно посылает нам сорок триллионов больших калорий. Правда, большая часть этих щедрых золотых потоков рассеивается и лишь отчасти поглощается атмосферой. Поверхности достигает около трети лучистой энергии; в южных широтах больше, в северных — меньше. Если всю ее полностью превратить в электрическую, то в производственной упряжке оказалось бы куда больше лошадиных сил, чем могли бы дать термоядерные станции. Даже десятой доли солнечного тепла и света — тех, что падают на поверхность одной только суши, — хватило бы для получения гигантских количеств энергии. В тысячи раз больших, чем ее нынешнее мировое производство.
Чтобы добиться желанного результата, придется покрывать фотоэлементами огромные участки суши, а может быть, и водоемов. Однако тонкие кристаллические пленки, германиевые или кремниевые, — штука капризная. Сейчас их составляют из отдельных кусочков — точь-в-точь как мозаичное панно. Но одно дело мозаика размером с книгу или с газету, как на спутнике, а другое — гектары лучеуловителей. Одно дело безвоздушный штиль космоса, другое — беспокойное царство земных стихий. Порыв сильного ветра, удар разгулявшейся волны — и хрупкий материал вышел из строя. Несравненно лучше гибкие полупроводники. Только где их взять?
Проблема — мягкие электростанции. Киловатты, свернутые в рулон!
Полимеры… Сколько осуществленных желаний, а еще больше надежд связано у людей с этим словом! Юная гвардия синтетической химии уверенно вытесняет ветеранов, служивших технике верой и правдой сотни и тысячи лет.
Прочен и красив гранит. Но как трудно его обрабатывать! Просто обрабатывать дерево, но постройки из него боятся малейшей искорки, быстро гниют. Стоек к сырости и огню железобетон, но уж слишком он «тяжел на подъем». Легок и долговечен алюминий, однако сквозь него ничего не увидишь. К тому же он легко растворяется в кислотах и щелочах. Бесстрашно отражает химические атаки стекло. Прозрачное, оно ничего не скрывает от любопытного глаза. Но недаром же его хрупкость пошла в пословицу!
Не сделаешь шестерню из камня, электрический изолятор из березы, корпус ракеты из железобетона, химическую колбу из алюминия, рессору из стекла.
Иное дело — полимеры. Сочетая в себе достоинство материалов-ветеранов, они обладают невиданными преимуществами. Из них уже делают прочные, легкие, прозрачные, химически стойкие, неприхотливые и недорогие пленки, под которыми прячутся целые гектары плантаций от мороза и других капризов погоды. По своим механическим свойствам полимеры были бы идеальным конструкционным материалом для солнечных ГЭС — гелиоэлектрических станций. Эх, если бы они обладали еще и полупроводниковыми свойствами! Тогда можно было бы…
Дух захватывает, если подумать, что принесут с собой полимеры-полупроводники! Электростанции в рулонах. Рубашка, которая одновременно является батарейкой. Мягкие приемники, телевизоры, даже электронно-счетные машины, складывающиеся, как зонтик, или, чего доброго, как носовой платок. С такой «амуницией» хоть на Луну. Однако насколько реальны эти мечты?
Помните сопряженные связи? Пожалуй, это и есть тот Рим, куда ведут сегодня дороги надежд квантовой химии.
Опять этот коварный эффект сопряжения! Коварный? Да, но и многообещающий!
Полимеры с сопряженными связями находятся в фокусе внимания ученых. Оно и понятно почему.
Если сигма-электроны, прикрепленные к атомам, вдруг срываются с насиженного места, химическая связь лопается. Соединение прекращает свое существование, распадаясь на два других. Совсем иначе ведут себя пи-электроны в сопряженных связях. Их никак не назовешь домоседами. Они могут свободно разгуливать вдоль всей цепочки атомов, придавая молекуле свойства сверхпроводника. Или полупроводника. Все зависит от различий в длине ординарных и двойных связей.
Вот гексатриен CH2 = CH—CH = CH—CH = CH2. Как и в бензоле, в нем шесть углеродных атомов и три двойные связи. Похоже, будто перед нами бензольное кольцо, разрезанное одним взмахом ножниц и распрямленное в линейную цепочку. Разве что по бокам еще присоединилось по атому водорода. Но присмотритесь попристальней: в нем всего два одиночных штриха. А парных — три! И хотя эффект сопряжения налицо, чередующиеся связи неравноценны. Во всяком случае, межатомные расстояния С = С и C—C неодинаковы. Энергия связи тоже. Это доказывает расчет. И подтверждает опыт.
А что, если все-таки попробовать поменять местами двойные и одиночные штрихи? Что тогда? Пожалуйста: CH3—CH = CH—CH = CH—CH3. Гексадиен. Совсем другое соединение. В нем три ординарные и две двойные связи. Так что, как видно, структуру гексатриена не описать больше чем одной-единственной формулой. Между тем, если бы удалось гексатриен свернуть в кольцо и «сшить» концы иголкой химического взаимодействия, перед вами тут как тут объявился бы наш двуликий выходец из мира молекул. Бензольный цикл, в котором углерод-углеродные связи неразличимы. И он обладает сверхпроводимостью — в отличие от линейной цепочки гексатриена.
Можно подумать, что равноценность чередующихся связей присуща лишь циклическим молекулам. Отнюдь нет. Свидетельство тому — существование радикалов типа ĊH2—CH = CH2 (точкой обозначен неспаренный электрон). Можно написать вторую, совершенно эквивалентную схему CH2 = CH—ĊH2, хотя химическая формула в обоих случаях одна (C3H5).
Речь идет о свободных радикалах. Что это такое, можно узнать подробней, заглянув в последнюю главу.
Интересная деталь: далеко не у всех циклических молекул типа бензола (C6H6) чередующиеся связи одинаковы. Есть такое соединение — циклооктатетраен C8H8. У него простые и двойные связи чередуются. Тем не менее они не взаимозаменяемы. Ибо восьмиугольная молекула циклооктатетраена вовсе не плоская, не в пример бензольному шестиугольнику. Мало того. В 1964 году было получено циклическое соединение, имеющее состав бензола C6H6. Считают, что его пространственное строение описывается формулой Дьюара:
Правда, не плоской, а слегка согнутой вдоль самой длинной связи, соединяющей противолежащие вершины. И надо же: химики наотрез отказались признать его бензолом!
Полное равноправие всех углерод-углеродных связей квантовая химия предсказывает лишь тем циклам и цепочкам, для которых можно написать минимум две эквивалентные схемы. Именно эти соединения металличны. И сопряженные связи в них изображаются не только штрихом, но и пунктиром:
Зато свойства полупроводников проявляют молекулы с сопряженными, однако, заметно не похожими связями: —С = С—С = С—. Скажем, полимеры CH2 = CH—(—CH = CH—)n–2—CH = CH2.
Чем же объясняет разницу в электрофизических свойствах молекул квантовая химия?
Вспомним сперва, чем отличается полупроводник от проводника. Разумеется, нас интересует сейчас не то, что первый хорошо проводит ток, а второй скверно. Из самого названия видно. В конце концов полупроводник — это все равно что полуизолятор. Хотелось бы разобрать по винтикам и пружинкам сокровенный механизм такой половинчатости в свойствах.
Вот железо. Проводник. Почему? Да потому, что в кристаллической решетке металлов всегда есть свободные электроны. А почему есть? И почему свободные? Лучше начать все по порядку.
Помните «Атомиум»? Девятка громадных шаров — кусочек кристаллической решетки железа. Яркие световые блики на сверкающих стальных округлостях — лишь отдаленное напоминание о расплывчатых электронных облаках. Отдаленное хотя бы потому, что у любого атома электронная архитектура многоярусна. У железа в первой оболочке два электрона. Во второй — восемь, в третьей — четырнадцать, (обратите внимание: четырнадцать! До полного комплекта не хватает четырех электронов: ведь этот ярус способен принять 2·3