За пределами таблицы Менделеева: учёные открыли дверь в бесконечную химию

Вселенная скрывает миллиарды химических веществ, каждое из которых обладает крошечным, но потенциально революционным потенциалом.

Удивительно, но человечество идентифицировало лишь 1% из этого невидимого мира. По мнению исследователей, неоткрытые химические соединения могут стать ключом к борьбе с парниковыми газами или привести к медицинским прорывам, подобным открытию пенициллина, изменившего ход истории.

Казалось бы, химикам должно быть интересно исследовать этот неизведанный мир, но проблема не в отсутствии любопытства. Ещё в 1869 году русский гений Дмитрий Менделеев создал периодическую таблицу элементов — своеобразный конструктор "Лего" для учёных. С тех пор были открыты вещества, сформировавшие современный мир.

Чтобы получить последние элементы таблицы, потребовался ядерный синтез — бомбардировка атомов на околосветовых скоростях. Так, в 2010 году появился на свет теннезин, 117-й элемент таблицы.

Однако элементы — это лишь верхушка айсберга. Настоящая химическая вселенная начинается с соединений. Вода, состоящая из водорода и кислорода, — пример природного соединения. Нейлон же, наоборот, создан искусственно в лабораторных условиях и производится на заводах по всему миру. Простое правило гласит: элементы состоят из одинаковых атомов, а соединения — из двух или более разных. Учёные почти уверены, что все элементы уже открыты (последний значится под номером 118), но соединений может быть бесконечно много.

Давайте вдумаемся в масштабы: из 118 известных элементов можно составить миллионы, миллиарды, а может, и триллионы уникальных химических "конструкций". Начнём с простого — двухатомных соединений вроде N₂ (азот) или O₂ (кислород), которые составляют 99% воздуха.

Теоретически существует 6903 таких комбинации. Если один химик тратит год на создание одного соединения, то на все двухатомные вещества ушла бы работа целой деревни учёных за тот же срок. А теперь представьте: трёхкомпонентных соединений (H₂O, CO₂) уже около 1,6 миллиона — столько людей живёт в Бирмингеме и Эдинбурге вместе взятых. Когда речь заходит о четырёх- и пятиатомных структурах, для их создания потребуется, чтобы каждый житель Земли синтезировал по три новых вещества. И это потребует переработки всех материалов Вселенной несколько раз.

Разумеется, это упрощённый подсчёт. На практике химию усложняют структура молекул, их стабильность и условия существования. Например, самое большое из созданных соединений (почти 3 миллиона атомов, 2009 год) до сих пор не нашло применения, хотя подобные "гиганты" уже помогают доставлять противораковые препараты в организме точно к цели.

Но можно ли вообще создать все эти соединения? Неужели у химии нет границ? Оказывается, "правила" довольно гибкие. Даже "благородные газы" (неон, аргон, гелий), которые принято считать химически инертными, иногда образуют соединения.

Гидрид аргона (ArH⁺) не встречается на Земле, но обнаружен в космосе — и его удалось воссоздать в лаборатории, симулирующей условия глубокого вакуума. Получается, если учитывать экстремальные температуры, давление океанских глубин или космическое излучение, число возможных соединений возрастает многократно.

Хрестоматийный пример гибкости химии — углерод. Обычно он связывается с одним или четырьмя атомами, но в редких случаях, на считанные мгновения, способен "приютить" и пять "гостей". Химики представляют это как автобус на четыре пассажира, в который на мгновение вмещаются пятеро — такое возможно, пока люди входят и выходят. Неудивительно, что целые научные карьеры посвящены созданию "невозможных" по учебникам веществ. Проблема лишь в том, что многие соединения существуют лишь в космосе или при условиях, воспроизвести которые на Земле крайне сложно — например, в глубинах гидротермальных источников на дне океана.

Как же учёные ищут новые молекулы? Первый путь — модифицировать уже известное: отнять атом, добавить другой, поменять "кирпичики" местами. Второй — взять знакомую химическую реакцию и запустить её с новыми исходными материалами. Образно говоря, это как построить дом из "Лего", а затем надстроить этаж или пристроить гараж. Но как обнаружить принципиально новые вещества — те самые "неизвестные неизвестные"?

История пенициллина показывает, что природа часто опережает науку. В 1928 году Александр Флеминг случайно заметил, как плесень в чашке Петри уничтожает бактерии. Прошло 11 лет, прежде чем Говард Флори научился выращивать пенициллин в промышленных масштабах, а ещё шесть лет — и Дороти Кроуфут Ходжкин расшифровала его структуру. Это было важно: в пенициллине обнаружилась редкая конфигурация атомов — квадрат. Такую геометрию мало кто мог предсказать, но, зная её, химики начали искать похожие вещества. Если у вас аллергия на пенициллин, благодарите Ходжкин за альтернативные антибиотики.

Сегодня учёным проще: рентгеноструктурный анализ (тот самый, который придумала Ходжкин) и медицинские МРТ-сканеры помогают "разглядеть" атомную структуру новинок.

Однако догадаться о существовании соединения — полдела. Самое сложное — воссоздать его в лаборатории. Многие полезные вещества (тот же пенициллин) проще "вырастить" в естественной среде — в плесени, растениях, насекомых. Потому современные исследователи по-прежнему вглядываются в те уголки природы, мимо которых мы проходим каждый день.

Уточнения

Дми́трий Ива́нович Менделе́ев — русский учёный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, нефтяник, педагог, воздухоплаватель, приборостроитель.