7. Новые методы управления химическими процессами. Спиновая химия

В научной литературе время от времени появлялись сообщения о влиянии магнитных полей на химические реакции. Но при повторных экспериментах они каждый раз не подтвержда­лись. Более того, сама мысль о таком влиянии считалась безграмот­ной с теоретической точки зрения, потому что энергия взаимодейст­вия атомов и молекул с магнитным полем ничтожно мала и со­ставляет миллионные доли по отношению к тепловой энергии или энергии облучения, необходимой для преодоления энергетического барьера реакции.

В середине 1960-х годов была пробита первая брешь в этом прочно удерживаемом, но, как оказалось, неверном убеждении: было открыто влияние магнитного поля на фотохимические про­цессы в молекулярных твердых телах. В 1972 г. установлено влия-

163

те магнитного поля на химические реакции в растворах. Но и это-X) тогда оказалось еще не достаточно, чтобы наступил коренной поворот во взглядах основной массы химиков на посредничество в управлении химическими процессами магнитного поля. Признание успехов в этом совершенно неожиданном направлении развития кимии, к тому же отмеченное Ленинской премией 1986 г., пришло после того, как коллектив ученых Института химической физики Академии наук СССР и Института химической кинетики и горения Сибирского отделения Академии в составе А. Л. Бучаченко, Ю. Н. Молина, Р. 3. Сагдеева, К. М. Салихова и Е. Л. Франкевича опубликовал целую серию работ, убедительно доказавших наличие эффективного влияния даже слабых магнитных полей напряжен­ностью 100—1000 эрстед на химические процессы.

Было установлено изменение выхода продуктов и скорости хи­мических реакций, достигнута интенсификация излучения света органическими люминофорами, обнаружено влияние магнитного поля на проводимость органических полупроводников и фотопро­водимость полимеров. Особый интерес представляет открытие воз­действия магнитного поля на окислительно-восстановительные ре­акции, происходящие при помощи хлорофилла, и, в частности, на фотосинтез в зеленых листьях.

Второй ступенью в развитии исследований магнитного эффекта по отношению к химическим процессам было открытие воздействия на них не только внешнего магнитного поля, но и внутреннего, со­здаваемого ядрами реагирующих частиц в тех случаях, когда эти ядра обладают магнитным моментом. Это новое явление было на­звано магнитным изотопным эффектом. В отличие от классического изотопного эффекта, зависящего от масс изотопных ядер, новый эффект зависит от магнитных свойств ядер. Величина его может в десятки и сотни раз превосходить величину классического эффекта. На основе этого эффекта был разработан новый способ фракциони­рования изотопов, который наряду с практической задачей разделе­ния изотопных смесей позволяет решать задачи, относящиеся к хи­мической эволюции вещества в геологических и космогонических масштабах путем анализа изотопного состава вещества и сравнения его с расчетным составом, вычисленным по магнитному изотопно­му эффекту.

Еще одной ступенью в развитии исследований новейшей маг- нетохимии является изучение ее связей с квантовой радиофизикой. Дело в том, что другим важным следствием магнитного изотопного эффекта оказалось открытие принципиально нового свойства хими­ ческих реакций — способности генерировать электромагнитное ра­ диочастотное излучение или поле. В условиях самопроизвольной ге­ нерации продукты химической реакции обладают когерентной ядер­ ной намагниченностью и ведут себя как молекулярные квантовые генераторы радиочастотного диапазона с химической накачкой, т. е. как химические мазеры. .

164

Все эти и другие эффекты воздействия магнитных Полей на хи­мические процессы были исследованы не только в эксперименталь­ном порядке, но и теоретически. Советские ученые показали, что природа этих эффектов не может быть понята в рамках классиче­ской химической кинетики и термодинамики; она объясняется с помощью квантовой механики.

Известно, что за образование химической связи, а равно и за ее преобразование в процессе химической реакции ответственны ва­лентные электроны атомов. Известно также, что одним из очень су­щественных свойств электрона является спин, или момент враща­тельного движения электрона, наглядно моделируемый обычно по­средством маленького заряженного волчка. Но с вращательным движением заряда всегда связан замкнутый ток, образующий маг­нит. И, действительно, спину электрона соответствует магнитный момент, равный 0,9273-10~²⁰ эрг-гаусс"¹. Заслуга советских ученых состоит в том, что они нашли разгадку парадокса: слабые магнит­ные воздействия, ничтожные по энергии, оказывают могучее влия­ние на химические реакции, изменяя спины неспаренных валентных электронов у атомов, входящих в свободный радикал или ион-ради­кал, и снимая спиновые запреты. Это и открывает новые возможно­сти управления химическими процессами не на энергетической, а на спиновой основе.

Открытие новых магнетохимических явлений вскрыло, таким образом, фундаментальную роль магнитных воздействий на акти­вацию реагентов и механизм химических реакций и послужило ос­нованием появления новой химической науки — спиновой химии. Сегодня это активно развивающаяся область, в исследования ко­торой вносят свой вклад десятки лабораторий как в нашей стране, так и за рубежом. Результаты этих исследований имеют значение не только для управления химическими процессами, но и для решения специальных задач гео- и космохимии. Уже теперь они становятся фундаментом для построения магнитобиологии, призванной решать проблемы взаимодействия магнитных полей и живых систем в це­лях развития растениеводства, животноводства и здравоохранения. Может быть, вскоре регистрируемые так часто геофизиками маг­нитные бури, которые представляют угрозу дополнительного риска для лиц, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, будут использованы в качестве стимуляторов биосинтеза и ингибиторов патологических явлений.