Предел чистоты

Сегодня даже миллиардная часть примеси в веществе не является пределом чистоты. Химики способны «уловить» и атом одного металла среди миллиардов атомов другого вещества.

Для каких целей понадобились ученым вещества такой сверхчистоты? Без них, например, нельзя осуществлять исследования по управляемым термоядерным реакциям, изучать газообразную среду — плазму, нагретую до нескольких миллионов градусов.

Обратимся к металлам, обладающим высокой чистотой. Они нужны для получения жаростойких сплавов. Даже едва заметные примеси легкоплавких металлов — висмута или свинца — делают материал весьма малоустойчивым. При повышении температуры эти примеси выделяются между кристаллами сплава, нарушая его целостность.

Далее. Очистка отдельных металлов вызывает изменение их физических и химических свойств. Так, получаемые в обычных промышленных условиях висмут, вольфрам и хром — довольно хрупкие металлы. Однако, как только их подвергнут очистке, они приобретают замечательную пластичность. А железо высокой чистоты становится стойким к коррозии. Подобным образом ведет себя и «крылатый» металл титан. Будучи очищенным от примесей, он приобретает необычайно высокую стойкость в химически активных средах. Кремний и германий проявляют свои полупроводниковые свойства только при условии, если их монокристаллы не «загрязнены» даже ничтожно малыми дозами таких, например, металлов, как медь, золото.

Таким образом, многие области науки и техники требуют все более и более чистых веществ. Взять, например, важнейшую проблему современности — создание сверхпроводников, которые в ближайшем будущем решат задачу передачи огромных количеств электроэнергии на большие расстояния без потерь. Современные сверхпроводники изготовляют из разных компонентов. И чем чище будет каждый из этих компонентов, тем качественнее станет сверхпроводник.

Проблема изучения и контроля ультрамалых примесей элементов возникает и при исследовании горных пород, минералов, метеоритов, почв, грунта Луны, атмосферы Венеры и Марса, биологических объектов.

Проведение такого рода анализов — сложное и очень кропотливое дело. Химикам приходится работать, подобно хирургам, в стерильных, то есть свободных от примесных элементов, условиях, в особых помещениях. Ведь надо отобрать определенные «сорта» молекул и атомов.

Где это особенно необходимо? В гео- и космохимии, в металлургии, в атомной и полупроводниковой технике, квантовой электронике, в медицине, биологии, археологии, криминалистике.

В последнее время оказалось недостаточным уметь определить миллиардные доли процента примеси. Появилась необходимость выяснить, как распределены такие следы примеси на площади всего в несколько микрон, то есть меньше острия иголки, или в отдельной точке внутри кристалла.

Химики должны быть всегда на страже и предостерегать технологов от появления даже самых ничтожных «добавок» вредных примесей. Для этого создано немало методов контроля. Аналитическая химия в настоящее время вооружена прекрасными инструментальными методами поиска ничтожно малых следов примесей в самых различных материалах.

Назову радиоактивационный анализ. Пробу вещества облучают в атомном реакторе нейтронами, то есть нейтральными частицами, обладающими высокой проникающей способностью. Атомы примесей становятся радиоактивными, или «мечеными». Поэтому их легко обнаружить, а затем по активности уже нетрудно и определить содержание этих примесей в составе пробы.

Достойным помощником ученых стал масс-спектральный анализ. Исследуемое вещество при высокой температуре в глубоком вакууме испаряется и превращается в ионизированный — электрически заряженный — газ. Он далее подвергается действию магнитного поля. В зависимости от массы («веса») отдельные ионы — заряженные частицы веществ — отклоняются и фиксируются на чувствительной фотопластинке. По фотографии спектра и судят о наличии в основном веществе примесей.

Химики-аналитики также успешно применяют в своей практике рентгеноспектральный, люминесцентный, электрохимический и другие способы.

Однако даже самые чувствительные инструментальные и избирательные методы контроля не всегда могут удовлетворить все возрастающие требования к тонким процессам анализа. Поэтому ученые нашли способ повышения чувствительности и начали получать «концентраты» примесей. Их выделяют, например, из основного вещества путем экстракции — растворения различными органическими жидкостями.

Следует учесть, что ни один из названных видов контроля не может быть универсальным. Каждый из них следует применять в определенных конкретных условиях.

Методы аналитической химии помогают разгадывать тайны и.тех процессов, которые протекают в глубинах нашего дневного светила и звезд. Излучения, возникающие в недрах звезд, могли бы поставить нам ценную информацию. Огромный интерес для астрофизиков представляют нейтрино. Эти частицы без труда пронизывают любое космическое тело. Возникают они в процессе бурных ядерных реакций, происходящих в пеклах звездных недр.

Как поймать и изучить нейтрино? На значительной глубине под слоем земли ученые размещают сосуд с соединением четыреххлористого углерода общим весом в несколько тонн. При столкновении нейтрино с этой «ловушкой» в результате реакции с хлором рождается всего несколько десятков атомов радиоактивного элемента — аргона, который определяется уже известными химикам радиометрическими способами.

Однако, чтобы быть вполне уверенными, что мы имеем дело лишь с нейтрино, следует осуществлять реакции по всему спектру, то есть с частицами разных энергий. Для этого нужно подбирать «ловушки» с разными веществами, быстро осуществлять эксперимент и анализировать.

Решения «земных» и астрофизических задач требует от химиков-аналитиков напряженных поисков новых методов контроля сверхчистых веществ и их автоматизации.