Нет, я не ошибся в названии. И речь пойдёт не о споре “физиков и лириков”, инициированном стихотворением Бориса Слуцкого. Для меня тот спор давно решён, причем в нём нет выигравших или проигравших. Нужно всё: лирики – для души, физики – для дела.
Впрочем, для дела нужны не только физики. Но прежде, чем переходить к другим необходимым специальностям, давайте посмотрим, как они работают. Согласно сборнику “Физики шутят” швейцарский химик Ганс Ландольт ещё в позапрошлом веке дал такое определение: ”Физики работают хорошими методами с плохими веществами, химики — плохими методами с хорошими веществами, а физхимики — плохими методами и с плохими веществами”. Конечно, он говорил это в шутку, но ведь в каждой шутке есть только доля… шутки. Не верите? Вот вам пример.
В конце 80-х начале 90-х в науке шла эйфория высокотемпературной сверхпроводимости. Ею занимались все и вся, но с разным успехом. Если для нашей лаборатории работа со сложными оксидами, коими и являются сверхпроводящие купраты, была естественным продолжением предыдущей работы, то для многих других всё это было в новинку. В то время лаборатории мира просто соревновались в открытии новых соединений с подобными свойствами. И вот знакомые физики похвастались перед нашим заведующим Евгением Антиповым новым веществом с очень высокой температурой перехода. Причем, по их словам это был совершенно новый класс соединений.
– А что вы использовали для синтеза?
– Вот это, и это, и это…
– Ну, тогда за сверхпроводимость у вас отвечает 123 фаза [YBa2Cu3O7-d, уже известная], да ещё с кучей примесей.
– Неправда!
– Приносите ваше вещество, и я скажу вам, что у вас там есть.
Не зря же лозунгом нашей лаборатории у нас был “In X-ray we trust” (мы верим в рентгеновские лучи). Рентгенограмма “вещества” показала, что в нем присутствует несколько веществ, включая ту самую 123 фазу. Причем её содержание соответствовало доли сверхпроводящей фазы из измерения магнитной восприимчивости. Как вы видите, слова Ландольта в данном случае получило полное подтверждение.
Поэтому и мы, и многие физики предпочитали работать в кооперации. Например, мы занимаемся синтезом и проверкой чистоты вещества, а уже потом физики исследуют его свойства. В итоге получалось очень тщательное и полное исследование, особенно в случае совершенно новых химических соединений.
Если вы думаете, что у химиков не бывает проколов, то сильно ошибаетесь. После длительного перерыва в 1992 году был получен новый класс сверхпроводящих соединений. Причём, один из членов этого ряда поставил и до сих пор сохраняет рекорд: 135 К (минус 138 С). Этот класс соединений (ртутные купраты) был получен в нашей лаборатории (С.Путилин, Е.Антипов) с помощью наших французских колаборантов, предоставивших оборудование и финансирование. Естественно, весь мир бросился их исследовать. И одна французская группа обнаружила магнитный эффект (температуру перехода определяют по изменению магнитной восприимчивости) всего примерно при минус 35 С. Предложили нам поучаствовать в исследовании, но наш заведующий отказался. В итоге у них вышла статья с предположением, что существует свехпроводящая фаза с такими характеристиками. Видимо они плохо знали свойства элементов и теорию метода исследования. Дело в том, что при синтезе этих веществ используется окись ртути, и несоблюдение условий синтеза приводит к её частичному разложению на кислород и элементарную ртуть. У последний же температура плавления – минус 38 С. Словом, французам после этого никто не завидовал.
Всё же и при плодотворном сотрудничестве нередко случается недопонимание. Физика – это формулы и цифры. Химики их тоже используют, но во многом химия – это не только наука, но и искусство. Конечно, серьёзные химики не используют беспочвенные фантазии, но в их распоряжении есть множество эмпирических фактов, которые не всегда можно описать в рамках каких-то формул, но которые имеют численное обоснование.
Это не только моё мнение. Здесь в рассказе я должен заранее попросить прощения у читателей за некоторую вульгарность и только после этого приступить к рассказу.
Есть замечательный метод рентгеноструктурного анализа (только не читайте о нём в википедии – там глупость). Это единственный лабораторный метод, который позволяет определить структуру вещества или, примитивно говоря, установить, как устроена молекула: межатомные расстояния, валентные углы, элементный состав. Метод основан на дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. Она же лежит в основе нейтронографии и дифракции электронов, однако электронные микроскопы, пригодные для таких исследований стоят на порядок дороже рентгеновских дифрактометров и доступны далеко не всем. Про реакторы, как источник нейтронов я даже не говорю.
И вот в конце нулевых мы проводили школу по рентгенографии для молодых учёных. Один мой коллега из другого института читал лекцию “Оценка качества рентгеноструктурного эксперимента”. После его лекции мы вышли покурить, и у нас состоялся такой диалог.
– Костя, отличная лекция, но ты не назвал главного критерия.
– Это какого?
– Ж… чувствую.
– Точно!
Конечно, этот орган никакого отношения к критерию не имеет. Так мы нередко называем некоторое шестое чувство, которое, конечно, основано на огромном опыте и интуиции. Даже когда цифры оценки качества показывают хороший результат, какие-то, даже не до конца осознанные факты, показывают нам, что в полученном результате что-то не так.
Какие же факты? Многие из нас со школы возможно помнят, что углерод всегда четырехвалентный. Если же вокруг какого-то атома углерода находится всего три атома, то это указывает на существование одной двойной связи, которая значительно короче одиночной. Да ещё все эти атомы, включая центральный, должны лежать в одной плоскости. Если все эти факторы не соблюдаются, то следует искать ошибку в своих результатах. Несколько сложнее закономерности для неорганических соединений, но здесь есть свои законы. Все элементы имеют своё характерное окружение (координационный полиэдр) на характерных расстояниях, и многочисленные структурные исследования уже давно установили эти характеристики. А есть ещё методы химического анализа, которые с высокой точностью позволяют определить содержание того или иного элемента.
В учёте этих эмпирических факторов и заключается “искусство” химиков, но которые не учитываются физиками. Вот здесь и возникают противоречия, и мне с ними пришлось столкнуться.
Маленькая прелюдия к очередной истории. В начале 90-х началось активное исследование модулированных структур, описание которых требует 3+d пространств. Развитие этого направления связано с исследованиями в области высокотемпературной сверхпроводимости. В первую очередь это относится к вистмутовым купратам, обладающим такой структурой и которые являются материалом для промышленного производства сверхпроводящих проводников. К их исследованию приложил руку и я, где и столкнулся с разным подходом к проблеме со стороны физиков и химиков.
Два первых члена гомологического ряда висмутовых купратов имеют состав Bi(2+x)Sr(2-x)CuO(6+delta) и Bi(2+x)Sr(2-x)Cu2O(8+delta). Без x=0.1-0.3 фазы не образуются, по данным химического анализа delta=0.15-0.3. В среднем delta=0.21, причем для всех соединений. Запомните эту цифру, она нам впоследствии понадобится. Я занимался исследованием структуры Bi2.27Sr1.73CuO6.21, содержание кислорода было установлено химическим анализом с точностью 0.03. Уточняя структуру, я получил содержание кислорода 6.09. Структурщики знают, что точность определения содержания элемента повышается с атомной массой элемента, точнее с количеством электронов. Поэтому легкие элементы (кислород) особенно плохо определяются на фоне тяжёлых (висмут), и мой результат можно было бы списать на это свойство метода. И вот тут у меня включился тот самый орган. Один из разработчиков метода Вацлав Петричек ранее уточнял структуру второго соединения и получил содержание кислорода 8.08! То есть и у него, и у меня delta=0.08-0.09 вместо 0.21! Но я точно знал, что качество моего эксперимента на порядок выше, а результат тот же! Непонятно…
И ещё моя “пятая точка” не могла увязать парочку других фактов. При уточнении структуры, помимо положения атома и его заселенности (содержания), уточняется параметр атомного смещения. Он связан с тепловыми колебаниями атомов и со статистическими смещениями атома вследствие некоторых разупорядочностей в структуре. В данных структурах в некоторых частях вдруг возникает значительный рост этих параметров у атома висмута. Можно было бы связать эти изменения с присутствием того самого избыточного кислорода delta, но ни у Петричека, ни у меня эти области не совпадали. И в чем же тогда причина?
Можно было бы списать все несоответствия на несовершенство математического аппарата, но десятки исследований модулированных структур не давали оснований для таких утверждений. Правда, было одно НО! Для данного метода существует два математических аппарата. Я был знаком с первым, и оба они дают практически одинаковый результат. Всё же в моём случае больше подходил второй, и я обратился к Вацлаву за помощью. “Какие проблемы, приезжай. Пребывание в Праге я оплачу сам”, – был ответ.
Конечно же, я воспользовался. Три недели в Праге, и совсем не в качестве туриста, да ещё возможность поработать с профессионалом высокого класса. Но за эти три недели мы пришли к неутешительному результату в 6.11. Не сильно лучше.
– Что-то здесь не то…
– Как не то! Фактор недостоверности низкий?
– Очень низкий…
– Ошибки маленькие?
– Маленькие…
– Значит, всё правильно.
– Формально да, но содержание кислорода тоже маленькое. Да и расстояние висмут – кислород в 1.75 ангстрема ни в какие ворота не лезет, меньше, чем 2.05 оно не бывает.
– Нет, всё правильно.
– Ну, это твоё мнение, но не моё.
Мы не расстались врагами, и впоследствии я приезжал ещё раз к нему по другому поводу. Но мнения свои мы тогда не изменили.
Понадобилось ещё несколько месяцев на размышления и расчеты. Поиск причин имеющегося результата был похож на детективную историю и занял несколько месяцев. Но не буду утомлять рассказом о нем, скажу лишь результат. Содержание кислорода оказалось 6.18, а положение того самого delta идеально совпало с огромным ростом параметра атомного смещения. Теперь уже в нашей совместной статье он со мной согласился.
Вот такая разница в подходах физиков и химиков. Здесь мне вспоминается тост, произнесённый профессором Мадридского университета Мигелем Аларио Франко на банкете организованной нами конференции.
Человека воздушном шаре занесло в незнакомое место. Опускаясь на землю, он увидел сидящего в задумчивости человека.
– Где я?
Ответа нет. И он повторяет.
– Скажите, где я?
Опять ответа нет. И он уже в отчаянии.
– Умоляю, скажите, где я?
– Вы на воздушном шаре.
– Спасибо. А вы, вероятно, теоретик?
– Как вы догадались?
– Во-первых, вы ответили не сразу. Во-вторых, ваш ответ абсолютно точен. И в-третьих, абсолютно бесполезен.
“Теория мертва, мой друг, но древо жизни пышно зеленеет”. Так что не всегда надо верить цифрам и формулам.