15 апреля научный мир будет отмечать 120-летие со дня рождения выдающегося ученого, одного из основателей МФТИ Николая Семенова. Единственный отечественный лауреат Нобелевской премии по химии, он оставил после себя поистине огромное наследие, которое не просто используется сейчас, а постоянно находит новое применение.
Николай Семенов в лаборатории. Конец 1930-х гг.
Сферы влияния
«О Николае Николаевиче можно говорить бесконечно, — отмечает вдова ученого, доктор химических наук Лидия Щербакова Семенова. — Он создатель теории цепных реакций и теории взрыва, основатель новой науки — химической физики, выдающийся общественный деятель, теоретик создания атомного оружия, активный участник Пагуошского движения. Научные интересы Семенова были невероятно многогранны — его исследования сегодня продолжают другие ученые, получая за это Нобелевские премии». Работы Семенова и его учеников до сих пор оказывают большое влияние на науку: развитие получила макрокинетика химических реакций, были созданы теория горения конденсированных энергетических материалов и теория самовоспламенения и взрыва в конденсированных системах, заложены основы теории реакции в твердой фазе. Идеи ученого используются в здравоохранении и оборонной сфере, материаловедении и энергетике. Благодаря ему в том числе сформирован современный миропорядок, краеугольным камнем которого является ядерное сдерживание.
Теория цепных реакций
Именно за это открытие Николай Семенов был удостоен Нобелевской премии. В 1928 году он открыл и описал процесс разветвленных цепных реакций, характеризуемых экспоненциальным ускорением и последующим воспламенением. В те же годы ему удалось показать радикальный механизм цепного процесса и обосновать его ключевые черты. Эта работа открыла перед учеными широчайшие возможности для управления химическими процессами. «Семенов понял, что для возникновения цепной реакции нужно достигнуть критической концентрации радикалов, чтобы скорость их образования превысила скорость гибели, — рассказывает член-корреспондент РАН Владимир Разумов. — Идея оказалась очень плодотворной. Как позже выяснилось, процессы, которые протекают вокруг нас, идут не по простому механизму столкновения и распада, а с созданием активной частицы, вступающей в реакции образования других активных частиц-радикалов. Это была идея, описывающая многочисленные процессы в окружающем нас мире». В любой цепной реакции присутствуют три процесса: инициация цепи, ее продолжение и обрыв. Так, изучение реакции обрыва не только имеет важное научное значение, но и спасает жизни людей. Например, в шахте при большой концентрации метана есть риск случайно чиркнуть каской о кусок угля и вызвать горение. Возникшая искра превратит метан в радикал метана и повлечет за собой цепной процесс. Чтобы этого не допустить, важно знать, какой ингибитор необходимо добавить, чтобы препятствовать воспламенению, ликвидировать радикал.
Николай Семенов с сотрудниками Института химической физики
Атомное оружие
Как следует из воспоминаний Юлия Харитона, еще в предвоенные годы в возглавляемом Николаем Семеновым Институте химической физики возникло новое научное направление, нацеленное на изучение особенностей ядерного взрыва. В 1940 году Семенов направил руководству страны письмо, где указал на необходимость создания атомного оружия. Тогда ответа он не получил, но уже через три года институту, который только вернулся из эвакуации в Казань, поручили произвести расчеты, связанные с измерением необходимых констант и оценкой поражающего воздействия ядерной бомбы. Николай Семенов непосредственно курировал конструкторское бюро, которое занималось реализацией атомного проекта.
Режим строжайшей секретности, который окружал эту работу, стал причиной того, что информация о многих научных достижениях Семенова стала достоянием общественности только недавно. Именно он, к примеру, предложил методику регистрации ядерной реакции при взрыве атомной бомбы, которая использовалась вплоть до последнего испытания ядерного оружия в нашей стране в 1990 году.
Важной стала инициатива Николая Николаевича по вопросу противоатомной защиты. «Нахождение специфической и эффективной защиты от атомных бомб является проблемой едва ли не более важной, чем проблема изготовления атомных бомб, — писал Семенов в письме на имя Сталина. — Уже около полугода я размышляю над вопросом возможных путей создания противоатомной защиты. Мне стал ясен принцип, который надо положить в основу». Так в СССР родилась государственная Николай Семенов с сотрудниками Института химической физики. Ленинград. 1931 г. программа по вопросам защиты от атомного оружия в гражданских и военных организациях.
Именно Николай Семенов стал одним из главных организаторов ядерных полигонов в Семипалатинске и на Новой Земле, а также участником 16 испытаний атомного оружия — на земле, под водой и в воздухе.
Ракеты на твердом топливе
Золотая медаль им. Н. Н. Семенова Российской академии наук
В конце 1950-х годов перед отечественной наукой и промышленностью встала задача создания межконтинентальных ракет на твердом топливе. И ключевую роль в их разработке сыграли специалисты ИХФ. «Под общим руководством Николая Николаевича был развернут очень широкий фронт работ по синтезу и исследованию высокоэнергетических материалов потенциальных компонентов ВВ и порохов, — вспоминал член-корреспондент РАН Георгий Манелис. — Это были не просто новые соединения, но и новые классы веществ, ранее не попадавшие в сферу внимания. Зачастую даже приблизительного представления об их свойствах не было».
Приоритет Семенов всегда отдавал теоретическим исследованиям, которые затем подтверждались экспериментом (тогда как в США, к примеру, упор делался только на эксперименты). Это во многом предопределило блестящий успех проекта. За какие-то несколько л
Обсуждение генерального плана строительства Черноголовки. Николай Семенов в первом ряду (справа)
ет были разработаны рецептуры топлива первого поколения и создано производство его компонентов. При этом сфера применения твердого топлива была существенно расширена. Оно стало использоваться для ракет морского базирования, систем ПРО и ПВО, ракет «воздух-земля».
Энергетика
«Энергетика играет определяющую роль в прогрессе цивилизации, — говорит Владимир Разумов. — На протяжении всей истории развития основным источником первичной энергии всегда была и остается химическая энергия. К примеру, в 2015 году общее мировое потребление первичных энергоресурсов составило 5,85 * 1021 Дж. Из них 90% приходилось на химическую энергию, извлеченную из нефти, природного газа, угля и биотоплив. Поэтому можно утверждать, что в той или иной мере вся энергетика основана на теории цепных процессов, которую разработал Николай Семенов. Исходя из этого трудно переоценить значение этой теории».
Н. Н. Семенов в лаборатории. 1940-е годы
Альтернативное углеводородное сырье
Еще одна область, которой занимался Семенов, — эффективное использование метана в качестве альтернативного углеводородного сырья. Несмотря на значительный прорыв, и сегодня, в XXI веке, эта проблема остается серьезным вызовом для науки.
Метан — идеальное сырье для химической промышленности. Из него можно было бы получать любые органические вещества: от полимеров и красителей до лекарств. Препятствием служит лишь отсутствие катализаторов, способных осуществлять эти превращения без больших энергетических затрат.
Сегодня в промышленности для получения метанола используют технологию, основанную на высокотемпературном превращении метана в синтез-газ (СО + Н2), который затем используется для каталитического синтеза СН3 ОН и других продуктов. Однако этот способ все меньше удовлетворяет экономическим и экологическим требованиям современности.
Самый подходящий способ утилизации метана — каталитическое окисление молекулярным кислородом. Изучать его механизмы начали Николай Семенов и Николай Эмануэль. Их работы фактически стали отправной точкой в развитии совершенно новой области катализа. Она активно развивается и стоит на острие современной химии.
На церемонии вручения Диплома почетной степени Honoris causa. Лондонский университет. 1965 г.
Самые оптимистичные ожидания ученых сегодня связаны с катализаторами на основе меди и золота. «Уже предложены процессы, позволяющие эффективнее реализовывать углеродный потенциал малодебитных и нетрадиционных источников в газохимических и энергетических процессах, — отмечает заведующий лабораторией окисления углеводородов ИХФ им. Н. Н. Семенова Владимир Арутюнов. — Их внедрение даст толчок для экономического и социального развития регионов, снизит уровень загрязнения атмосферы углеводородами и продуктами их сгорания, повысит надежность энергоснабжения удаленных регионов».
Здравоохранение
Исследования цепных реакций, которые проводил Николай Семенов, оказали большое влияние и на медицину. «Механизмы очень многих болезней, с которыми человек борется, тоже протекают по цепному механизму, — отмечает Владимир Разумов. — Развитие раковой опухоли, к примеру, — это тот же процесс. Правда, там участвуют другие радикалы — биологические. Это одно из направлений биологических наук».
Президент АН СССР академик М. В. Келдыш и вице-президент АН СССР академик Н. Н. Семенов. 1950-е годы
Один из последователей Семенова — Николай Эмануэль — работал над кинетикой образования опухолевых клеток и общими закономерностями их роста. Благодаря этому у нас в стране в 1960–1980-е годы был синтезирован целый ряд противоопухолевых препаратов: дибунол, рубоксил, нитрозометилмочевина. Работы Семенова и Эмануэля, по сути, зародили новое направление в онкологии, в котором сегодня работают сотни ученых. А препараты, созданные на основе их идей, помогли уже десяткам тысяч людей.
Физтех и научные школы
Не менее, а может быть, более важным результатом деятельности Николая Семенова стало огромное количество последователей, которых он оставил после себя. Одним из итогов его работы, в частности, стало появление в Черноголовке Научного центра РАН. Семенов с самого начала планировал создание не просто экспериментальной базы для прикладных работ ИХФ, а полноценного научно-исследовательского центра, где в тесной связке развивались бы химическая физика, физика, химия и биология.
При этом, будучи ученым с мировым именем, он всегда доверял молодым. Руководителями лабораторий в Черноголовке были люди, возраст которых едва перевалил за 25–26 лет. Их прозвали «Семеновский детский сад». И этот «детский сад» стал, пожалуй, самым успешным в мировой науке. Его «выпускники» Анатолий Дремин, Лев Стесик, Георгий Манелис и Александр Мержанов, Александр Шилов выросли в выдающихся исследователей, основателей крупных научных школ.
Ну и конечно, нельзя не сказать о том, что именно Николай Семенов наряду с Петром Капицей стоял у истоков создания Московского физико-технического института. Два выдающихся ученых, два нобелевских лауреата и два друга работали в лаборатории А. Ф. Иоффе в Ленинграде и приложили массу усилий для рождения нового уникального вуза. Еще в середине 1930-х годов Николай Николаевич, читая лекции в Ленинградском физико-техническом институте, говорил о необходимости реформы образования. «Мои студенты не должны ходить на мои лекции, необходимо, чтобы большая часть их времени проходила в научных лабораториях», — отмечал он. Так зарождалась идея будущего Московского Физтеха.
Предвестником МФТИ в 1946 году стал новый факультет МГУ — физико-технический. Это название придумал Семенов, и позже оно перешло на весь институт. Как отдельный вуз МФТИ был основан в 1951 году, и Николай Семенов стал научным руководителем одной из девяти специальностей института — «химическая физика». Когда же в 1957 году в МФТИ были образованы первые четыре факультета, Николай Николаевич возглавил единую базовую кафедру химической физики.
ВРУЧЕНИЕ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ
Впервые Семенов был номинирован на Нобелевскую премию еще в 1946 году, а его номинатором стал Сирил Хиншелвуд. Всего же до 1950 года Николай Николаевич выдвигался на награду пять раз! И получил ее в итоге в 1956 году с легкой руки заведующего кафедрой химии Стокгольмской высшей технической школы Ларса Силлена. Текст его заявки гласил: «Настоящим позволю себе рекомендовать, чтобы Нобелевская премия 1956 года была присуждена поровну профессору сэру Хиншелвуду, Оксфорд, и академику Семенову, Москва (в том или ином порядке), за их выдающиеся труды в области кинетики реакций, в особенности за экспериментальные и теоретические объяснения цепных реакций в газах». Диплом лауреата Николай Николаевич получил из рук короля Швеции Густава IV. «Я очень признателен Шведской академии наук, присудившей мне Нобелевскую премию, — сказал Николай Семенов в ответном слове. — Этот факт, очевидно, прежде всего надо расценивать как признание определенных научных заслуг физикохимиков Родины. Присуждение шведскими коллегами мне и сэру Хиншелвуду почетной Нобелевской премии символизирует гуманнейшую идею — идею мирного сотрудничества ученых всех стран».
Материал опубликован в журнале «За науку №1-2016».
2
