Химия - Шульц, Михаил Михайлович - Научные достижения

28 февраля 2011


Оглавление:
1. Шульц, Михаил Михайлович
2. Научные достижения

Основные направления исследований

Михаил Шульц — автор фундаментальных трудов по физической химии, термодинамической теории, термодинамике гетерогенных систем, химии и электрохимии стекла, мембранной электрохимии, теории ионного обмена и фазовых равновесий многокомпонентных систем, теории стеклянного электрода, всего — более 500 научных работ, в том числе ряда монографий, ок. 20 изобретений. С его именем связано становление pH-метрии и ионометрии, создание и организация производства измерительной аппаратуры и материалов, широко используемых в медицине, химической и атомной промышленности, в авиа-космической технике, в сельском хозяйстве и многих других областях. Он стоит у истоков промышленного производства pH-метров. Ученым проведены исследования тугоплавких оксидов и гетерогенных систем, разработан метод расчета изменений термодинамических свойств гетерогенных систем по данным о составе сосуществующих фаз и изменениях химического потенциала только одного компонента. М. М. Шульц обобщил условия устойчивого равновеся Гиббса для гетерогенных систем. В рамках термодинамической теории существует «правило Филиппова-Шульца» . Особым разделом в научном творчестве М. М. Шульца явилось изучение термодинамических свойств методом масс-спектрометрии. Получено обобщение экспериментальных данных о процессах испарения и термодинамических свойствах силикатных, боратных, германатных и фосфатных расплавов при высоких температурах. В количественном соответствии с результатами методов ЭДС и калориметрии определены термодинамические функции ряда систем. Этот метод особенно перспективен для исследования многокомпонентных систем, имеющих широкие практические области применения и по определённым причинам недоступных исследованиям другими термодинамическими методами. В последние годы научной деятельности М. М. Шульца получили развитие работы, направленные на создание единой шкалы pO для оксидных расплавов и исследование процессов стеклования.

Стеклянный электрод. Наука о стекле. Окислительный потенциал

«

Пионерские исследования Лендьеля и Блюма были развиты теми, кого прежде всего интересовала уже известная по Na чувствительность per se и определение, действительно ли электроды были обратимы в термодинамическом смысле. Обзор этой работы дан Шульцем, чьи исследования, как и Никольского с Толмачёвой, особенно значительны. Действительно, Шульц был первым, кто продемонстрировал на прямом сравнении с натрий-амальгамным электродом, что некоторые стёкла ведут себя как обратимые электроды для Na в нейтральном и щелочном pH. — Дж. Эйзенман. Катионселективные стеклянные электроды и методы их применения.

»

В 1951 г. М. М. Шульцем первым термодинамически строго доказана натриевая функция различных стёкол в разных областях pH, чем подтверждена справедливость одной из ключевых гипотез ионообменной теории стеклянного электрода — термодинамическая теория стеклянного электрода Никольского—Шульца—Эйзенмана , и что предвосхитило многие направления дальнейших исследований, а его первый труд «Исследования натриевой функции стеклянных электродов» относится к наиболее значительным из всех написанных по стеклянному электроду и открывает путь к промышленной технологии последнего, — формированию ионометрии со стеклянными, позднее — с мембранными электродами. В контексте развития «обобщенной» теории стеклянного электрода учёным установлено влияние механизма диффузионных процессов в стёклах и ионитах на их электродные свойства и получены новые количественные выражения, в которых учитываются динамические и энергетические характеристики ионообменников. М. М. Шульцем введено в термодинамическое рассмотрение процессов в мембранах представление о различной способности к диссоциации ионогенных групп стекла, что позволило в строгой аналитической форме связать электродные свойства стёкол и ионитов с их химическими особенностями.. Возглавляя основанную им Лабораторию электрохимии стекла, выполнявшую совместно с рядом учреждений правительственное задание по разработке средств рН-метрии, М. М. Шульц организовал систематизированное исследование электродных свойств стекол в зависимости от их состава, введя в практику в числе прочих — оригинальный метод использования с этой целью и самого стеклянного электрода.

«

Михаил Михайлович и сотрудники подробно изучили электродное поведение свыше тысячи различных по составу стёкол — поистине титанический труд. …Первые результаты по Мёссбауэр-эффекту в железосодержащих стёклах упомянуты в диссертации Михаила Михайловича. Сейчас их значительно больше, но здесь не место для их обсуждения. Замечу лишь, что спектр возможных состояний атомов железа, вообще говоря, оказывается чрезвычайно сложным и что для интерпретации Мёссбауэровских спектров данные, полученные М. М. Шульцем и сотрудниками представляют исключительный интерес. — Из отзыва сотрудника Радиевого института им. В. Г. Хлопина профессора ЛГУ А. Н. Мурина.

»

В 1950—1960 гг. М. М. Шульцем с сотрудниками на основании представительных серий стёкол было оценено влияние третьего компонента на электродные свойства щелочно-силикатных стёкол.

М. М. Шульц показал возможность получения стеклянного электрода с red-ox функцией, что позволило создать принципиально новую измерительную технику без применения драгоценных металлов, что дало огромный экономический эффект.

Силикаты

С назначением М. М. Шульца директором Института химии силикатов, учёному была доверена координация изысканий уникального центра, связанных с фундаментальными исследованиями обширного класса химических соединений — с изучением строения, структуры, состава и свойств веществ, в основе которых лежит кремний, в сочетании с кислородом и другими элементами на 90 % составляющий земную кору. Таким образом, основной задачей института являются исследования веществ наиболее распространённых в природе и, соответственно — в практике. Последнее предопределяет следующие, вторичные для данного учреждения изыскания: либо разработку на основе изучения силикатов аналогов различных минералов, либо — совершенно новых веществ, по тем или иным качествам превосходящих любые существующие в природе — создание таких важнейших материалов, как цемент, керамика, стекло, огнеупоры, эмали, покрытия, красители, используемые в строительстве, металлургии, в химической, оптической, электротехнической, авиационной, космической и других отраслях промышленности.

М. М. Шульц, придя в институт, в первую очередь основательно расширил применение термодинамических методов в исследовательской практике этого учреждения. Рядом важных свойств отличалась административная манера учёного. Возглавив большой коллектив исследователей, он не подчинил их деятельность своим интересам — с целью развития наиболее близких ему по тематике направлений в институте была создана лишь небольшая исследовательская группа; учёный не стал также замыкать большую часть проводившихся работ в пределах выгодных прикладных тем или выигрышных «модных» направлений, уводящих от фундаментальных исследований, свойственных основному предназначению этого учреждения, тенденцию эту Михаилу Михайловичу удалось сохранить даже в самое тяжёлое для отечественной науки время.

«

Но если говорить о будущем, то важно качественному описанию законов придать количественную форму. Это будет то, о чём я Вам всё время говорю: умение сосчитать, количественно определить, как зависят свойства состава от внешних условий — температуры и давления. Такова связь прошлого, настоящего и будущего в науке, которую я представляю. Уточню, одна из связей. Что лежит на пути этой возможности? Необходимость объединения трёх теоретических методов: термодинамики, статистической физики и квантовой химии. Квантовая химия даёт нам сведения об интимных взаимодействиях частиц между собой. Статистическая физика на основе этого взаимодействия выводит статистику большого количества частиц. Скажем, нас интересует не просто пара частиц, а материал, раствор. Так, в стакане помещается жидкость объёмом 180 кубических сантиметров и содержит она 10 молекул. Это потрясающе огромное число. И физическая статистика позволяет нам вообразить, какими свойствами будет обладать такое колоссальное количество частиц. А уже со статистической физикой в аналитических формах прямо связаны термодинамические функции. Вот тогда мы и получим химические связи и свойства в явном виде. — Из беседы корреспондента Виктора Сидорова с академиком М. М. Шульцем.

»

Особенности М. М. Шульца, и как учёного, и как администратора отмечали многие. В числе их был и профессор Иван Фёдорович Пономарёв, «патриарх» силикатчиков, ученик Н. С. Курнакова и Г. А. Таммана, «заставший» ещё Д. И. Менделеева, сотрудничавший с Е. В. Бироном. Он был автором перевода монографии, настольной книги силикатчиков «Кремнезем и силикаты» А. Л. Ле Шателье, с которым был знаком и состоял в переписке. Иван Фёдорович, являясь вместе с И. В. Гребенщиковым, П. П. Будниковым и другими учёными одним из инициаторов создания Института химии силикатов, приветствовал назначение М. М. Шульца на должность руководителя этого исследовательского центра и пристально следил за деятельность его. И. Ф. Пономарёв, проживший сто лет, до последних дней своих сохранял светлое сознание и ясность ума, последнее письмо учёный прислал М. М. Шульцу в 97 лет.

Согласно концепции стекла, сформированной М. М. Шульцем, им предложена новаторская идея введения для стекол и расплавов, по аналогии с pH для водных растворов, меры кислотности — pO и стандартизации методов её измерения: степень рО обратнопропорциональна степени основности и концентрации оксида. Идея эта, являя собой продолжение «растворной» тематики в традициях менделеевской школы, реализует также чаяния и предположения, высказанные Д. П. Коноваловым ещё в 1898 г. на X съезде Естествоиспытателей и врачей.

М. М. Шульц участвовал в создании волоконных световодов из безводного кварцевого стекла в сотрудничестве с академиком А. М. Прохоровым, академиком Е. М. Диановым и другими учёными. Под руководством и при непосредственном участии М. М. Шульца разработаны жаропрочные неорганические покрытия для защиты конструкционных материалов космической техники и тонкослойные покрытия на полупроводниковый кремний для электронной промышленности, органо-силикатные корозионностойкие, антиобледенительные, электро- и теплоизоляционные, радиационностойкие покрытия для строительства, электротехники и судостроения. Немал вклад учёного в деле разработки новых строительных материалов. Из проектов этого профиля следует отметить, например, осуществление в последние годы научного руководства академиком М. М. Шульцем исследований по программе «Инженерного центра каменного литья», выполнявшего заказы нескольких крупных строительных организаций.

«

Всё, что до этого я говорил, можно было бы определить как сведение химических проблем к физическим. Однако это неправильно. Химия имеет собственные теоретические методы и подходы. Всё-таки в недрах химии родился Периодический закон, который до сих пор является руководящим при рассмотрении любых химических явлений и процессов. Уже потом физики раскрыли существующую природу этого закона. Менделеев не знал строения атома, но в том и проявился его гений: не зная строения атома, найти Периодический закон! …Не на кончике пера физика появятся новые химические законы, а в лаборатории химика. А вот уж после этого пусть физика объяснит закон, а математика вооружит его чёткими формулами. —Из беседы корреспондента Виктора Сидорова с академиком М. М. Шульцем.

»

Традиция, преемственность, сотрудничество

М. М. Шульц, как и многие его предшественники и непосредственные учителя Б. П. Никольский и А. В. Сторонкин, принадлежал во всех направлениях своих исследований к школе М. В. Ломоносова — Д. И. Менделеева — Д. П. Коновалова — М. С. Вревского. Это справедливо и в отношении его трудов в науке о стекле — учёный по праву занял место в когорте российских её создателей, которую составили: М. В. Ломоносов, Д. И. Менделеев, И. Ф. Пономарёв, Н. Н. Качалов, И. И. Китайгородский, И. В. Гребенщиков, А. А. Лебедев, Р. Л. Мюллер, К. С. Евстропьев, Е. А. Порай-Кошиц и многие другие, менее известные, но не забытые.

Школа М. М. Шульца — это 45 кандидатов наук, 8 докторов, из них двое — члены-корреспонденты РАН. Процесс становления учёного включает не только постижение теории и формальную практику, но и приобщение к научному мировоззрению руководителя, освоение методики эксперимента и развитие оригинальной методологии наставника. В соответствии со спецификой этой естественнонаучной школы к ней принадлежат не только универсанты, это — все сотрудники университетской лаборатории, и работавшие в институтской группе. С привлечением базы института выполнялись дипломные работы. Нужно отметить, что данная особенность служила тесному научному взаимодействию не только Института химии силикатов с университетом, но и многих других организаций, а многие их сотрудники также принадлежат к школе академика М. М. Шульца, и среди тех, кто через неё продолжает вышеозначенную традицию: И. Ю. Арчаков, В. А. Багатурова, Г. С. Багдасарова, А. А. Белюстин, С. А. Беседина, В. С. Бобров, Н. В. Борисова, И. М. Бушуева, И. В. Валова, Н. М. Ведищева, В. А. Долидзе, О. С. Ершов, Г. Г. Иванов, И. С. Ивановская, Е. Л. Кожина, В. Т. Конаков, Р. Константинова, Г. П. Лепнёв, Р. Мейснер, А. И. Парфёнов, М. М. Пивоваров, А. М. Писаревский, И. П. Полозова, А. Г. Сармурзина, Э. П. Саруханова, А. С. Сергеев, С. А. Симанова, Н. А. Смирнова, В. Л. Столярова, Су-Южень, А. М. Тойкка, В. М. Ушаков, Э. Хайденрайх, А. Н. Хуцишвили, Чень Деюй, Б. А. Шахматкин, С. И. Шорников, Х. М. Якубов и др.; но в некоторой степени причастны к ней, конечно, и все посещавшие лекции М. М. Шульца в Санкт-Петербургском университете и «техноложке». Школа «Термодинамика и химическое строение стекла и оксидных расплавов», основанная академиком М. М. Шульцем, отнесена к числу ведущих научных школ России

«

…В наши дни наука всё меньше развивается как наука одного учёного. Существует наука коллективов. Поэтому путь преодоления дифференциации — в создании коллективов из специалистов разного профиля, разного опыта, но объединённых одними задачами. Между прочим, это — необходимость найти общий язык — одна из сложнейших проблем контакта, например, физика и химика. Они говорят об одних и тех же вещах, но на разных языках и зачастую при рассмотрении одной и той же проблемы видят задачу в разных аспектах. … Но индивидуальность остаётся индивидуальностью. Способность поставить проблему, найти ключевую проблему науки, по-моему, сугубо индивидуальна. …Пусть кто-то на полгода, год, на десять лет раньше откроет, а логика развития науки, она и другого, и третьего приведёт к тому же самому открытию. — Из беседы корреспондента Виктора Сидорова с академиком М. М. Шульцем.

»

Учёный в течение более чем шестидесяти лет сотрудничал с очень многими исследователями — с довоенных лет, когда он начал работать над стеклянным электродом. Первые же опыты «внешнего» сотрудничества, вне стен университета, относятся к послевоенному времени, когда разработка средств контроля среды ядерного синтеза и формирования оружейного плутония имела первостепенное значение, и впоследствии — с физиками и биологами, медиками и почвоведами, инженерами, производственниками и мн. др.

С конца 1940-х и вплоть до конца 1960-х годов М. М. Шульц поддерживал активные творческие отношения с П. А. Крюковым, ещё с 1930-х годов, как и сам М. М. Шульц, работавшим над стеклянным электродом, впоследствии — видным специалистом в гидрологии, океанологи и других смежных областях. Двадцать лет они вели деловую переписку.

Первое большое и продолжавшееся много лет сотрудничество было связано также с pH-метрией, стеклянным электродом, с организацией его массового производства. Это были интенсивное взаимодействия с московскими и харьковскими учёными, с Тбилисским СКБ «Аналитприбор», а также — с «почтовыми ящиками» и многими другими организациями. В период с момента включения Гомельского завода измерительных приборов в производство аналитической аппаратуры в 1959 году только по 1967 год выпуск электродов стеклянных и вспомогательных — промышленного и лабораторного назначения, вырос с 1,5 тыс. почти до 2 млн шт. Количество электродного стекла всех типов, сваренного на заводе за этот же период выросло с 1 тыс. более чем до 200 тыс. кг.

Уже в пятидесятые годы ряд публикаций М. М. Шульца привлёк внимание иностранных учёных. Запросы делали: крупнейший специалист по теории стеклянного электрода академик Венгерской АН Б. Лендьел, известный английский «стекольщик» профессор Р. У. Даглас, выдающийся немецкий учёный, пионер электрохимической сенсорики академик К. Швабе. Высочайшую оценку деятельности в развитии pH-метрии Б. П. Никольского и М. М. Шульца дал один из самых авторитетных специалистов в данной области — Р. Г. Бейтс. В 1964 году американский биофизик Дж. Эйзенман издал объёмную монографию, в которую было включено несколько работ Б. П. Никольского, М. М. Шульца и др.

Многолетнее сотрудничество с 1950—1960-х годов связывало учёного с биологами, цитологами, медиками и почвоведами, это — сотрудники Института цитологии А. С. Трошин и А. А. Лев, плодотворной была работа с известным латвийским медиком, одним из основоположников теории внутрижелудочной pH-метрии Е. Ю. Линаром. В то время, между прочим, М. М. Шульцем с сотрудниками успешно велась разработка радиокапсулы для гастроскопи этим методом — в период с 1950-х годов до недавнего прошлого — аналогичные задачи решались многими учёными развитых стран. Успешно развивалось сотрудничество с одним из первых учёных, занимавшихся микроэлектродным измерением электрического мембранного потенциала клетки — московским биофизиком Г. А. Куреллой. </ref>. Многие годы, с 1968-го, М. М. Шульц сотрудничал с академиком Ю. А. Овчинниковым, они работали в «мембранных» комиссиях академии, регулярным были их творческие контакты не только в пределах этой темы.

Первостепенное значение в научном творчестве имеет, как известно, такая древняя его форма как диалог. Он участвовал в бесчисленном множестве дискуссий, конференций, семинаров и других научных форумов. Существует много свидетельств его умению полемизировать, обладанию чувством юмора, его выдержке и такту в научной беседе. Эти его качества учитывались при поручении ему достаточно ответственных функций дипломатического характера, этим же определялось в какой-то степени его участие во многих комиссиях и комитетах.

В июле 1978 года в Йене в Университете имени Ф. Шиллера прошёл 1-й Коллоквиум Отто Шотта, посвящённый памяти немецкого «стекольщика», деятельность которого очень тесно связана с университетом научным сотрудничеством с Эрнстом Аббе, известным немецким учёным, физиком-оптиком, создателем теории формирования изображений в микроскопе и технологии важных разделов оптико-механической промышленности. Программный комитет коллоквиума составили те, кто входил в число основных инициаторов мероприятия — профессора В. Фогель, М. М. Шульц и Н. Й. Крейдль. Эта традиция продолжается и поныне. И это лишь частный пример, иллюстрирующий активную роль М. М. Шульца в вопросах взаимодействия исследователей — он был в числе организаторов очень многих мероприятий такого рода.

«

Конечно, очень важен талант учёного, который видя обилие разрозненных добытых наукой фактов, почувствует: что-то должно появиться новое, как будто в сгустившейся грозовой атмосфере вот-вот обязательно сверкнёт молния. И почти всегда находится учёный, который также чувствует сгустившуюся атмосферу и готов совершить открытие. …Вот почему прогнозировать открытия всегда трудно. Иное дело — высказать желания. Это легче. Конечно, очень хочется получить пластичные неорганические стёкла, но с прочностными свойствами современных нам стёкол. Некоторые сдвиги в решении этой проблемы есть. Многие учёные мечтают получить ковкое стекло… Я думаю, на рубеже веков эта задача найдёт решение. А решению должно предшествовать понимание, как изменить структуру, чтобы получить нужные нам свойства. И тут… ладно уж, скажу, может быть, фантазируя: в металле существенна для нас так называемая металлическая связь. К этому, может быть, и надо идти в работе с оксидными материалами. Но как это сделать, я и сам не представляю. Понимаю, что тут важно исследовать связь электронного строения с механическими свойствами материала, что надо не так робко, как это делается сегодня, подходить к фундаментальным глубинным проблемам вроде пластичности оксидных материалов . — Из беседы корреспондента Виктора Сидорова с академиком М. М. Шульцем.

»

Невозможно назвать всех, кто в той или иной форме был сотрудником и соавтором М. М. Шульца, но нельзя обойти молчанием и его совместный научный труд с Е. А. Матеровой, О. К. Стефановой, О. В. Мазуриным, В. Л. Столяровой, В. И. Рахимовым, Р. Б. Добротиным, В. В. Моисеевым; — и тот стимул, который давало этим исследованиям, возможно, не всегда строго предметное, но взаимно обогащавшее соприкосновение с такими учёными, как С. А. Щукарев, Г. Н. Флёров, Е. Ф. Гросс, А. М. Прохоров, Н. Н. Семёнов, Н. М. Жаворонков, В. А. Фок, Ж. И. Алфёров, А. Н. Мурин, Ю. В. Морачевский, В. И. Гольданский, К. Я. Кондратьев, Н. П. Харитонов, А. Н. Лазарев, В. Н. Филиппович, Н. А. Торопов, Н. А. Домнин, Я. В. Дурдин, Е. А. Порай-Кошиц, К. П. Мищенко, К. С. Евстропьев, Л. С. Лилич, В. М. Вдовенко, М. С. Захарьевский, М. П. Сусарев, В. В. Пальчевский, Ф. М. Куни, Х. М. Якубов и многими другими участниками общего дела — созидательного познания природы.

Много лет развивалось сотрудничество с венгерскими, немецкими, индийскими, французскими, американскими, итальянскими, испанскими, японскими, чешскими и словацкими, китайскими учёными, исследователями многих других стран. Среди них были такие признанные специалисты в своих дисциплинах, как Д. Изард, Ф. Бауке, Э. Пунгор; — президенты ICG: Н. Й. Крейдль, Д. Стивелс, Р. У. Даглас, E. Станек, П. Жиляр, Х. Шольце, В. Готтарди, В. Приндл, Й. Петцольдт, Д. Пай, Х. Шаффер, А. Яраман, Н. Сога и мн. др. Плодотворными были научные контакты с известным геохимиком, минерологом, таким же последовательным сторонником насажденения термодинамических методов, А. Муаном, который в начале 1970-х годов вёл курс лекций в Москве, тогда же он посещал Институт химии силикатов. Много лет поддерживали научный диалог М. М. Шульц и Ф. Брэй — пионер исследований стёкол методом ЯМР. Такими же взаимно полезными были — сотрудничество и с профессором П. Хагенмюллером и многими другими французскими учёными; — некогда возглавлявшим французскую космическую программу, а впоследствии — одним из руководителей старейшей французской стекольной компании Сан-Гобен, президентом ICG Ж.-П. Коссом, — работа с английским «стекольщиком» профессором А. Райтом, — американской исследовательницей И. Менгер, представлявшей правительственную программу и крупнейшую стекольную корпорацию Корнинг.

Много сделав для отечественного естествознания, — для развития международного научного сотрудничества, М. М. Шульц, прежде всего, озадачен был интересами России, — собственными он уделял мало внимания, вероятно, его можно отнести к ныне редко встречающимся романтикам науки.

В 1978 году М. М. Шульц был включён в Совет Международной Комиссии по стеклу, единственного в то время объединения, в котором были представлены все развитые страны мира: учёному принадлежит заслуга принятия в 1979 г. России в эту наиболее авторитетную организацию данного профиля, первым её ассоциированным членом, представлявшим страну, стал Институт химии силикатов АН СССР; а в июле 1989 году, в дни своего 70-летия, М. М. Шульц был президентом проходившего в Ленинграде XV Международного конгресса по стеклу. 7-9 сентября 1999 года прошла Международная конференция «Термодинамика и химическое строение расплавов и стёкол», посвящённая 80-летию академика М. М. Шульца. Он был президентом Российского керамического общества. 1 июля 2009 года в день 90-летия академика М. М. Шульца в Институте химии силикатов прошла конференция, посвящённая памяти учёного..

Просмотров: 3092

<<< Щукарев, Сергей Александрович