Супрамолекулярная и нанохимия: философско-методологический анализ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра философии и истории науки

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Супрамолекулярная и нанохимия: философско-методологический анализ

Курашов Владимир Игнатьевич -

доктор философских наук

Традиционная химия занималась и занимается преимущественно планированием и реализацией синтеза соединений на макроскопическом уровне видения объекта. Предмет химии и смежных областей существенно расширился с возникновением и последующим развитием супрамолекулярной химии и нанохимии. Нанонаука - целенаправленная познавательная деятельность, вырабатывающая системное знание о размерных явлениях, связанных с вещественными образованиями от единиц до сотен нанометров: об их структуре, методах изучения и управления, способах получения и практического применения. Особенность нанонауки, в частности нанохимии, заключается в создании методов исследования, управления и/или манипуляции веществом вплоть до единичных атомов и молекул. Супрамолекулярная химия - это химия мультимолекулярных, или полимолекулярных, устойчивых образований, создаваемых на основе мультицентровых нековалентных взаимодействий. Супрамолекулярная химия и нанохимия - результат раскрытия новой области химии и смежных наук в процессах взаимосвязей научно-технологического знания. Ситуация в химии на рубеже XX-XXI вв., характерная черта которой - размерные эффекты наноуровня, подобна ситуации рубежа XIX- XX вв., когда зародилась квантовая механика, также характеризующаяся исследованием размерных эффектов. Супрамолекулярная химия и нанохимия расширяют знание о пределах познания мира и разнообразии вещественных структур. Названные реалии развития естествознания и технологии открыли новые горизонты для разнообразных направлений историко-научных и философско-методологических исследований в области конвергенции наук, технологий и мультифакторных Нано-Био-Информационно- Когнитивно-Социогуманитарных (НБИКС) процессов в целом. В итоге в наше время произошло углубление научной и/или философской проблемы «силы слабых», а также расширение знаний о селективных действиях и распознавании при взаимодействии систем различной природы и различного уровня организации. Все это своеобразно формулируется и переосмысливается для систем неорганического, органического и социального миров, что приводит к новой постановке вопроса о конечности и бесконечности вещественного разнообразия мира в контексте новых данных современного естествознания.

Ключевые слова: конвергенция наук и технологий, НБИКС-процессы, взаимодействие наук, супрамолекулярная химия, нанохимия, молекулярное распознавание и транспортные процессы, размерные эффекты, предмет и история естествознания, философия и методология науки

Supramolecular and nanochemistry: philosophical-methodological analysis

Vladimir I. Kurashov

При восприятии материала данной работы важно учитывать не только сходства и общие объектные области супрамолекулярной химии и нанохимии, но и их существенное различие. Главные свойства супрамолекулярных систем - это кооперативность, селективность и распознавание, а наносистем - размерные эффекты.

Супрамолекулярная химия и нанохимия расширяют знание о пределах познания мира в естествознании [Лен, 1998; Стойков, Антипин, Коновалов, 2010] и разнообразии вещественных структур материального мира [Курашов, 2007, с. 240-316; Курашов, 2009, с. 470-506]; определяют новые прорывные применения в медицине [Курашов, 2012, с. 297-306], например, при решении проблем адресной доставки лекарств [Zakharova, Pashirova, Kashapov, Gabdrakhmanov & Sinyashin, 2017].

Супрамолекулярная химия: коллективная сила слабых связей

Традиционная химия занималась и занимается преимущественно планированием и реализацией синтеза соединений с ковалентными связями. Супрамолекулярная химия - это химия мультимолекулярных, или полимолекулярных, устойчивых образований, создаваемых на основе мультицентровых нековалентных взаимодействий. Нужно различать два типа супрамолекулярных (организованных) структур, способных к взаимодействиям «гость-хозяин»: супермолекулы, для которых характерны высокоселективные взаимодействия (каликсарены, кукурбитурилы, циклодекстрины), и супрамолекулярные ансамбли, формируемые за счет кооперативных взаимодействий и/или сольво- фобных эффектов (мицеллы, микроэмульсии, везикулы). Преимущественно это химия получения новых соединений, т. е. синтетическая химия. Синтез же - сердце химии и химической технологии.

Межмолекулярные взаимодействия (ММВ) в конденсированной фазе (жидкой, твердой, аморфной) обусловливают иные свойства вещества по сравнению с газовой фазой. Особенности организации молекулярных структур, вызванные нековалентными ММВ, стали предметом новой области теоретических и экспериментальных исследований и прикладных технологических решений - супрамолекулярной химии. Обширный новый класс вещества, раскрытый в сфере развития супрамолекулярной химии, - это, можно сказать, класс соединений, где реализуется коллективная сила слабых связей.

Природа и характер ММВ различен. Ван-дер-Ваальсовы (ВВ) взаимодействия (дисперсионные, ориентационные, индукционные) относятся к неспецифическим взаимодействиям. Специфические взаимодействия входят в смысловое поле архаического понятия «химическое сродство», поскольку это взаимодействия между определенными группами молекулярных структур, в которых выделяются доноры и акцепторы электронов. Прежде всего специфическими являются водородные связи: при их образовании акцептор электронов - протон - принимает электроны от доноров - атомов кислорода, азота, серы и др. Водородные связи определяют конфигурацию вторичной структуры ДНК, чашевидную конфигурацию каликсаренов, а кроме того, они, конечно, влияют на параметры кинетики химических реакций и их энергетику (например, эффекты катализа). Надо иметь в виду, что в супрамолекулярных системах могут иметь место и координационные связи различных лигандов с ионами металлов, что часто обусловливает наличие «удивительных» свойств таких систем.

В целом можно сказать, что ММВ, кооперативные эффекты, связанные с ними, появление новых целостных свойств у устойчивых мультимолекуляр- ных образований (переход от частей к целому), а также явления, называемые емким словом «распознавание», составляют обширный предметный раздел современной химии.

Для выделения особой точки в траектории развития химии важно подчеркнуть следующее: химия всегда была по большей части химией атомных образований с ковалентными связями. В первую очередь речь идет об органической химии, биохимии, биоорганической химии. Конечно, химикам и физикам до появления супрамолекулярной химии были известны нековалентные связи (они перечислены выше). Но, во-первых, теоретическая и экспериментальная база (особенно инструментальная база по выделению и идентификации поли- молекулярных систем) была недостаточной, а во-вторых, наука и промышленность до второй половины ХХ в. были полны проблем, связанных с синтезом ковалентных соединений.

Одно из ключевых понятий супрамолекулярной химии - «молекулярное распознавание». Э. Фишер в 1894 г. сформулировал знаменитый принцип «ключ-замок», предполагающий, что в основе молекулярного распознавания лежат стерическое соответствие и геометрическая комплементарность рецептора и субстрата. Селективное связывание требует взаимодействия, сродства между партнерами, и корни этой идеи лежат в теории координации А. Вернера, что делает супрамолекулярную химию обобщением и развитием координационной химии.

Надо сказать и о языке супрамолекулярной химии. Наука - это главная составляющая интеллектуальной культуры, естествознание - часть этой составляющей, химия - часть этой части, а супрамолекулярная химия - своеобразная субкультура в той части интеллектуальной культуры, которая относится к химии и смежным наукам. Всякая субкультура поддерживается своеобразным языком. На сегодняшний день он вполне сложился, что отражается уже в самом названии области. Три понятия - связывание, распознавание и координация - заложили фундамент супрамолекулярной химии. Другое ключевое понятие - супраструктура [Лен, 1998; Стойков, 2001]. К ядру теоретического словаря су- прамолекулярной химии относятся также следующие понятия: молекулярное распознавание, фиксация, комплементарность, рецептор, субстрат, полимоле- кулярный супрамолекулярный ассоциат, супрамолекулярный ансамбль, молекулярная информатика, супрамолекулярный уровень информации.

Не претендуя на полноту, перечислю ряд направлений современной химии и технологии высокоорганизованных сред: 1) создание высокоселективных комплексообразователей для экстракции, разделения катионов и анионов, а также незаряженных органических соединений; 2) создание молекулярных устройств типа переключателей и проводников для электронных приборов и компьютерной техники на молекулярном уровне функционирования; 3) конструирование супрамолекулярных систем, обладающих ионофорными, каталитическими и сенсорными свойствами; 4) исследование и моделирование биологических систем и процессов; 5) создание лекарственных препаратов с адресной доставкой; 6) конструирование полифункциональных наносистем на основе базового принципа супрамолекулярной химии «bottom-up» - нековалентной самосборки амфифильных соединений, полимеров и ионов металлов; 7) исследование механизмов самоорганизации молекулярных систем в искусственных и естественных условиях.

Нанохимия и нанотехнология

Ключевые и наиболее употребительные понятия в области нанохимии и нанотехнологий: нанонаука, наноструктура, наночастица, нанокластер (уль- традисперсный материал), нанопленка, нанотрубка, размерно-зависимое явление, наноструктурная организация твердых тел, наноструктурная организация растворов, мелкодисперсных и коллоидных систем, наноматериал, нанокомпозит, нанофотоника (фотоэлектрические явления в наносистемах) и другие более частные термины.

Во многих публикациях появление нанотехнологии связывают с разработкой сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который позволяет исследовать рельеф поверхности на уровне атомно-молекулярных размеров. Первый СТМ был создан в 1981-1982 гг. Конечно, такой микроскоп «открыл глаза» ученым на мир микрообъектов наноуровня и тем самым способствовал как развитию фундаментальной науки - нанохимии, так и органично связанной с ней нанотехнологии. Принцип туннельного микроскопа основан на открытии туннельной колебательной спектроскопии одиночных молекул: «Туннельный ток, протекающий между иглой туннельного сканирующего микроскопа и поверхностью твердого тела, на котором под иглой “сидит” адсорбированная молекула, имеет резко выраженный резонансный характер. И резонансы наступают всегда, когда потенциал иглы (и, следовательно, энергия туннелирующих электронов) соответствует электронно-колебательным уровням адсорбированной молекулы» [Бучаченко, 1999, с. 116]. В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп (АСМ). АСМ в отличие от СТМ позволил наблюдать на наноуровне объекты, которые являются не только токопроводящими.

С середины 90-х гг. XX в. нанотехнологии стали применяться в серийном производстве. В нанотехнологии различают два направления получения наносоединений - «сверху вниз» (от макроуровня к наноуровню) и «снизу вверх» (методами синтеза, или сборки, наноструктур из исходных молекулярных компонентов). Первый путь малопродуктивен - он, по сути, есть нечто близкое к механическому дроблению. Второй путь - основной, он исторически проистекает из традиционных принципов химического синтеза.

Следует учитывать, что не все преобразования вещества есть нанотехнология. В нашем письменном столе имеются нанострутуры, и если мы по нему ударим молотком, то произойдут какие-то изменения на наноуровне, однако мы не станем при этом нанотехнологами. В нанохимии управление химическим процессом осуществляется на уровне наноразмеров, в то время как в традиционной химии и химической технологии процессы управляются на макроскопическом уровне.

Согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) выделяют следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры, наночастицы, нанотрубки, нановолокна, нанодисперсии (коллоиды), наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллы и нанокластеры.

В нанохимии изучаются физико-химические и биофизикохимические размерозависимые свойства объектов, у которых хотя бы один из размеров (сечений) составляет величину менее 100 нм. В нанохимии разрабатываются способы управления процессами на наноуровне, формирующие основу нанотехнологии, а также методы и инструменты достоверного контроля таких процессов на уровне наноразмеров.

Особенность нанохимии определяется тем, что ее объекты проявляют свойства, представляющие собой синтез свойств вещества в конденсированной твердой и жидкой фазе, свойства на поверхности раздела фаз и свойства в газовой фазе. Хорошо известно, что свойства одного и того же вещества в названных условиях (системах) различаются не только количественно, но и качественно. В сфере нанообъектов иногда теряется различие между органической и неорганической химией, наблюдается иная реакционная способность.

Особое значение имеют размерные эффекты объектов нанохимии, проявляющиеся в величине температуры плавления, оптических спектрах, кинетике процессов (на поверхности нанообъектов), термодинамических характеристиках. Такого рода объекты проявляют свойства, отличающиеся от свойств, которые те же вещества обнаруживают в неорганизованных макроскопических системах традиционной химии [Сергеев, 2006].

Завершая этот раздел, предложу для обсуждения варианты дефиниций основных понятий.

Нанонаука - целенаправленная познавательная деятельность, вырабатывающая системное знание о размерных явлениях, связанных с вещественными образованиями от единиц до сотен нанометров: об их структуре, методах изучения и управления, способах получения и практического применения. Существенная особенность нанонауки - создание методов исследования, управления и/или манипуляции веществом вплоть до единичных атомов и молекул. Нанонаука включает как фундаментальную естественнонаучную составляющую, так и прикладную, это мультидисциплинарная область научных исследований и технологических решений.

При таком определении область значений понятия «нанотехнология» входит в понятие «нанонаука». Нанонаука объединяет много разделов современного естествознания, которые «обрели зрение» на наноуровне или получили инструментальную возможность наблюдать и конструировать наномир. Среди них нанофизика, наномеханика, нанохимия, нанобиомедицинская физика и химия, нанофармакология и фармация, наноэлектроника, наноробототехника, технология нанореакторов и/или нанокластеров, нанооптика, электроника и магнетизм, конструирование наномеханизмов, машин и траспортных средств на структурных уровнях единичных молекул и др.

Нанохимия - принципиальная составляющая нанонауки. Предельно краткое ее определение: химия наноразмерных частиц. Следует учитывать, что общее понятие «химия» включает многие разделы, в том числе неорганическую, органическую, аналитическую, физическую, биофизическую, биоорга- ническую, биологическую, фармацевтическую химию, катализ, химическую технологию. Общее понятие «нанохимия» аналогичным образом делиться на разделы. В тех из них, где размерные эффекты и явления распознавания изучаются совместно, имеет место взаимосвязь и взаимодействие нанохимии и супрамолекулярной химии.

При всех особенностях нанохимия представляет собой раздел химии. В связи с этим приведу сформулированное мной определение понятия «химия» с учетом современного состояния естествознания: «Химия - это наука о материальных естественных и искусственных объектах атомно-молекулярного и супрамолекулярного уровня организации, изучающая их структуру и качественные превращения в исследованиях явлений как на макроскопическом уровне, так и на уровне размерных эффектов и специфических механизмов наноуровня. Объекты химии сами по себе относятся к неживой природе, хотя некоторые из них - биомолекулы - являются неотъемлемыми составляющими живых организмов» [Курашов, 2009, с. 95-96].

супрамолекулярный нанохимия

Заключение

1. Супрамолекулярная химия и нанохимия - результат раскрытия новой области химии и смежных наук в конвергентных процессах взаимосвязей научно-технологического знания. Данные области соизмеримы по значимости с традиционной химией, они существенно расширяют горизонты мультидисциплинарных областей естествознания и техники и, можно сказать, удваивают объект-предметную область химии.

2. Ситуация в нанохимии на рубеже XX-XXI вв. похожа на ситуацию рубежа XIX-XX вв., когда зародилась квантовая механика. Характерная черта последней - микроразмерные эффекты, и при их описании классическая физика с ее «макроскопическим» языком оказалась неприменимой. Характерной чертой нанохимии также являются размерные эффекты наноуровня, для описании которых «макроскопический» язык классической химии непригоден.

3. Развитие естествознания и технологии в направлении работы с микро- размерными объектами открыло новые горизонты для разнообразных направлений историко-научных и философско-методологических исследований в сферах конвергенции наук и технологий, функционирования общенаучных принципов соответствия и дополнительности, а также мультифакторных НБИКС процессов конвергенции и системного подхода в целом. Назову еще ряд конкретных перспективных направлений философско-методологических исследований:

переосмысление вопроса о конечности и бесконечности вещественного разнообразия мира в контексте новых данных современного естествознания;

изучение исторического и актуального взаимодействия новых классов материальных объектов естественного и искусственного миров, включая взаимосвязь и взаимодействие научно-технического и философско-методологического знаний в этой области;

выявление новых закономерностей и форм развития научного знания (например, от получения и изучения полимеров в искусственных условиях к открытию и изучению биополимеров; или, наоборот, от открытия естественной супрамолекулы ДНК к искусственному синтезу разнообразных супрамолекул, а далее - вновь к открытию новых супрамолекул в живых системах);

расширение горизонтов общенаучной и/или философской проблемы «силы слабых», которая своеобразно формулируется и переосмысливается для систем неорганического, органического и социального миров;

расширение знаний о селективных действиях и распознавании при взаимодействии систем различной природы и различного уровня организации;

анализ новых форм конвергенции научно-технического знания, в частности, единства фундаментальных и прикладных знаний, периодической обратимости и дополнительности знаний о естественном и искусственном вещественных мирах, а также в сфере молекулярной информатики.

4. Большинство ученых, работающих в областях супрамолекулярной химии, нанохимии и их технологических приложениях, с которыми я активно общаюсь, не только не знают недавно введенного понятия «НБИКС-революция» [Алексеева, Аршинов, 2016], но и введенных в научных оборот ранее понятий «НБИК-конвергенция» и «НБИКС-конвергенция». Поскольку НБИКС-конвер- генция находится в фазе экспоненциального роста, необходимо налаживать более тесное и активное взаимодействие философов науки и представителей е сте ствознания.

Список литературы

Алексеева, Аршинов, 2016 - Алексеева И.Ю., Аршинов В.И. Информационное общество и НБИКС-революция М.: ИФ РАН, 2016. 196 с.

Бучаченко, 1999 - Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы // Успехи химии. 1999. Т 68. № 2. С. 99-117.

Горохов, 2011 - Горохов В.Г. Рец. на кн.: Курашов В.И. История и философия химии. Учеб. пособие. М.: КДУ, 2009. 608 с. // Вопр. философии. 2011. № 4. С. 186-187.

Курашов, 2007 - Курашов В.И. Начала философии науки. М.: КДУ, 2007. 448 с.

Курашов, 2009 - Курашов В.И. История и философия химии. М.: КДУ, 2009. 608 с.

Курашов, 2012 - Курашов В.И. История и философия медицины в контексте проблем антропологии. М.: КДУ, 2012. 368 с.

Лен, 1998 - Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы / Пер. с англ. под ред. В.В. Власова, А.А. Варнека. Новосибирск: Наука, 1998. 334 с.

Сергеев, 2006 - Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: КДУ, 2006. 336 с.

Стойков, Антипин, Коновалов, 2010 - СтойковИ.И., АнтипинИ.С., КоноваловА.И. Синтетические рецепторы: Основы дизайна, концепции, методы конструирования на основе (тиа)каликс[4]аренов, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2010. 272 c.

Стойков, 2001 - Стойков И.И. Начала супрамолекулярной химии. Казань: Регентъ, 2001. 140 с.

Gorokhov, 2010 - Gorokhov VG. «Review: Vladimir I. Kurashov: History and Philosophy of Chemistry (In Russian), Moscow: KDU, 2009. 608 pp. // HYLE-International Journal for Philosophy of Chemistry. 2010. Vol. 16. No. 2. P. 121-125.

Zakharova, Pashirova, Kashapov, Gabdrakhmanov & Sinyashin, 2017 - Zakharova L., Pashirova T., Kashapov R., Gabdrakhmanov D. & Sinyashin O. Drug delivery mediated by confined nanosystems: structure-activity relations and factors responsible for the efficacy of formulations // Nanostructure for drug delivery / Ed. by E. Andronescu, A. Grumezescu. Amsterdam: Academic Press, 2017. P. 749-806.

References

Alekseeva, I. Yu. & Arshinov, V. I. Informatsionnoe obshchestvo i NBIKS-revolyutsiya [Informational Society and NBICS-revolution]. Moscow: IF RAN Publ., 2016, 196 pp. (In Russian)

Buchachenko, A. L. “Khimiya na rubezhe vekov: sversheniya i prognozy” [Chemistry between Centuries: Advances and Prognostications], Uspehi khimii, 1999, vol. 68, no. 2, pp. 99-117. (In Russian)

Gorokhov, V. G. “Retsenziya na knigu: VI. Kurashov. Istoriya i filosofiya khimii. Uchebnoe posobie. Moscow: KDU, 2009, 608 s.” [Review: Vladimir I. Kurashov: History and Philosophy of Chemistry. Moscow: KDU, 2009, 608 pp.], Voprosyfilosofii, 2011, no. 4, pp.186-187. (In Russian)

Kurashov, V. I. Nachala filosofii nauki [The Principles of Philosophy of Science]. Moscow: KDU Publ., 2007. 448 pp. (In Russian)

Kurashov, V. I. Istoriya i filosofiya khimii [History and Philosophy of Chemistry]. Moscow: KDU Publ., 2009. 608 pp. (In Russian)

Kurashov, V I. Istoriya i filosofiya meditsiny v kontekste problem antropologi [History and Philosophy of Medicine in the Context of the Problems of Anthropology]. Moscow: KDU Publ., 2012. 368 pp. (In Russian)

Lehn, J.-M. Supramolekulyarnaya Khimiya. Kontseptsii i Perspektivy [Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives], trans. by VV Vlasov & A.A. Varneka. Novosibirsk: Nauka Publ., 1998. 334 pp. (In Russian).

Sergeev, G. B. Nanokhimiya [Nanochemistry]. Moscow: KDU Publ., 2006. 336 pp. (In Russian)

Stoikov, I. I., Antipin, I. S. & Konovalov, A. I. Sinteticheskie retseptory: Osnovy dizaina, kontseptsii, metody konstruirovaniya na osnove (tia)kaliks[4]arenov [Synthetic receptors: principles of the design, conceptions, methods of construction on the basis of (thia)calix[4] arenes]. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2010. 272 pp. (In Russian).

Stoikov, I. I. Nachala Supramolecularnoi Khimii [The Principles of Supramolecular Chemistry]. Kazan: Regent Publ., 2001. 140 pp. (In Russian)

Gorokhov, V. G. “Reviem: Vladimir I. Kurashov: History and Philosophy of Chemistry (In Russian), Moscow: KDU, 2009, 608 pp., ISBN 978-5-98227-563-9”, HYLE-International Journal for Philosophy of Chemistry, 2010, vol. 16, no. 2, pp. 121-125.

Zakharova, L., Pashirova, T., Kashapov, R., Gabdrakhmanov, D. & Sinyashin, O. “Drug delivery mediated by confined nanosystems: structure-activity relations and factors responsible for the efficacy of formulations”, Nanostructure for drug delivery, ed. by E. Andronescu & A. Grumezescu. Amsterdam: Academic Press, 2017, pp.749-806.

Размещено на Allbest.ru