Основатель ИХВВ РАН академик Г.Г. Девятых
Институт химии высокочистых веществ АН СССР (в дальнейшем – РАН) организован в 1988 году на базе отдела веществ особой чистоты и летучих соединений металлов Института химии АН СССР. Организатор и первый директор института - академик РАН, Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской премии и Государственной Премии РФ Григорий Григорьевич Девятых (1918 – 2005).
Создание института, как академического научного учреждения, было естественным следствием успешного развития Нижегородской школы по получению и анализу высокочистых веществ. Исследования по этой научной проблеме были начаты Г.Г. Девятых в 1956 году на химическом факультете Горьковского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. До 1963 года работы велись на кафедре неорганической химии и в лаборатории разделения смесей НИИ химии при ГГУ. С 1964 года эта тематика стала развиваться и открытой в г. Горьком Лаборатории стабилизации полимеров АН СССР, которая в 1968 году была реорганизована в Институт химии АН СССР.
С 1988 года центром исследований по получению и анализу высокочистых веществ и материалов в г. Горьком (затем – Нижнем Новгороде) стал Институт химии высокочистых веществ АН СССР (в дальнейшем – РАН).
Высокочистые вещества - основа многих разделов современного материаловедения, на их базе создаются материалы, востребованные новыми высокотехнологичными отраслями промышленности. Микро и наноэлектроника, волоконная и силовая оптика, оптоэлектроника – вот неполный перечень направлений, для которых вещества и материалы, полученные в высокочистом состоянии, обеспечивают саму возможность их существования и развития.
История нижегородской – самой крупной в стране – научной школы по химии высокочистых веществ насчитывает полвека и неразрывно связана с жизнью и творчеством ее создателя – академика Григория Григорьевича Девятых, одного из крупнейших ученых-химиков нашей страны. Само понятие «химия высокочистых веществ» было введено Г.Г. Девятых.
В научной школе Г.Г. Девятых выросли многие известные ученые по химии высокочистых веществ и материалов с собственными направлениями исследований. Среди них академик РАН, директор ИХВВ РАН с 1998 г. М.Ф. Чурбанов, чл.корр. РАН А.Н. Гурьянов, д.х.н. А.В. Гусев, д.х.н. В.А. Крылов, д.х.н. И.Д. Ковалев, д.х.н. А.Н. Моисеев, д.х.н. Е.М. Гаврищук и многие другие.
Среди результатов, внесших наиболее существенный вклад в развитие химии высокочистых веществ как раздела фундаментального химического знания, можно отметить следующие.
Развитие научных основ процессов разделения смесей и получения высокочистых веществ. Разработка методов глубокой очистки веществ различных химических классов
Разработаны физикохимические основы получения высокочистых веществ различных химических классов. Предложены статистико-термодинамические методики расчета коэффициента разделения для равновесия жидкость-пар и кристалл-жидкость, которые позволяют теоретически оценить величину коэффициента разделения. Развиты теоретические основы глубокой очистки веществ в противоточных многоступенчатых процессах – ректификации, противоточной кристаллизации из расплава, зонной перекристаллизации.
Созданы научные основы процессов глубокой очистки и получены в высокочистом состоянии летучие неорганические гидриды, хлориды, металлоорганические соединения, простые вещества. Степень чистоты многих из них является рекордной.
Созданы оригинальные конструкции колонных аппаратов и показана их эффективность при глубокой очистке конкретных веществ.
Проведен большой цикл работ по исследованию загрязняющего действия конструкционных материалов при их контакте с высокочистыми веществами. Изучен механизм этого процесса, определена скорость поступления примесей в летучие неорганические хлориды из ряда наиболее распространенных конструкционных материалов. Это позволило обоснованно подбирать материалы при создании аппаратуры для получения высокочистых веществ с учетом требуемой чистоты конечного продукта. Показана роль загрязняющего действия материала аппаратуры как явления, принципиально ограничивающего достижимую глубину очистки веществ.
Исследовано поведение взвешенных наночастиц как специфической группы примесей при глубокой очистке летучих веществ. Установлено, что оно существенно отличается от поведения примесей, образующих истинный раствор с очищаемым веществом. Предложен и реализован новый высокоэффективный метод глубокой очистки от взвешенных частиц - пленочная ректификация с наложением на пар температурного градиента (термодистилляция).
Развитие методов анализа высокочистых веществ
Работы по получению высокочистых веществ сопровождались одновременной или опережающей разработкой методов качественного и количественного определения примесей. Были разработаны высокочувствительные методики анализа, основанные на искровой и лазерной масс-спектрометрии, фотоэлектрической спектроскопии, химико-атомно-эмиссионном и атомно-абсорбционном анализе, электронной микроскопии, рентгеновском микроанализе, ИК и УФ-спектроскопии, газовой и жидкостной хроматографии, лазерной ультрамикроскопии. Это позволяет комплексно охарактеризовать примесный состав высокочистых веществ и материалов различных химических классов. В твердых веществах возможно определение практически важного большинства примесей с концентрацией до 10-10 %; в летучих - примесей в элементной и молекулярной форме от 10-1 % до 10-8 %.
Получение, анализ и исследование свойств высокочистых веществ. Создание новых материалов на основе высокочистых веществ
Значительный объем работ выполнен по изучению свойств высокочистых веществ. Исследованы взрыво и пожароопасности летучих гидридов и металлоорганических соединений. Измерены теплоемкость и теплопроводность ряда высокочистых веществ, электропроводность металлов в области низких температур, изучено влияние примесей на эти свойства.
Разработаны научные основы и методы получения ряда высокочистых оптических и полупроводниковых материалов, включая кварцевое стекло для волоконных световодов с предельно низкими оптическими потерями, поликристаллический селенид и сульфид цинка для силовой оптики среднего ИК-диапазона, халькогенидные стекла для изготовления волоконных световодов с малыми оптическими потерями в среднем ИК-диапазоне, монокристаллический германий для детекторов ионизирующих излучений. Совместно с НЦВО РАН разработаны методы получения и получены кварцевые световоды с предельно низкими (0,2 дБ/км) оптическими потерями для линий волоконнооптической связи и халькогенидные световоды с рекордно низкими на сегодня оптическими потерями в среднем ИК-диапазоне (10-100 дБ/км). Исследованы примесночувствительные оптические свойства (оптические потери, лучевая стойкость) высокочистых кварцевого стекла, халькогенидных и фторидных стекол, поликристаллических селенида и сульфида цинка.
Разработка научных основ технологии высокочистых веществ и материалов, функциональных устройств из них
Результаты выполненных исследований нашли отражение более чем в 1700 научных публикациях, в монографиях, в ~200 патентах и авторских свидетельствах на изобретения. Исследования по основополагающим проблемам химии высокочистых веществ сопровождаются разработкой рациональных схем, методов и методик получения и анализа высокочистых веществ, соответствующей аппаратуры, выпуском опытных партий таких веществ и материалов. Такой подход обеспечивает надежную проверку результатов научных исследований, быстрый переход от высокочистого вещества к высокочистому материалу, испытание материалов в различных практических применениях. Результаты ряда разработок были переданы в промышленность.
С самого начала работ по проблеме высокочистых веществ и материалов Г.Г. Девятых большое внимание придавал консолидации всех коллективов страны, занятых этой проблемой. Отражением этого обстоятельства служит тот факт, что практически одновременно с началом работ по высокочистым веществам г. Горький стал постоянным местом проведения Всесоюзных (а затем Всероссийских) конференций по химии высокочистых веществ и материалов, первая из которых состоялась в 1961 году.
Открытый обмен информацией, проведение совместных исследований позволили осуществить уникальный научный проект по сбору и аттестации образцов наиболее чистых веществ и материалов, получаемых в России и за рубежом, реализованный в рамках созданной в 1974 году решением Президиума АН СССР Постоянно действующей Выставки-коллекции веществ особой чистоты, с целью получения объективной информации о состоянии проблемы высокочистых веществ. За 35 лет работы собрана уникальная коллекция высокочистых веществ, включающая более 600 образцов; исследован их примесный состав, создана информационно-расчетная система «Высокочистые вещества и материалы», включающая базу данных, насчитывающую ~ 42000 примесь-определений. По данным Выставки-коллекции среди наиболее чистых образцов химических элементов лишь около 4% имеет суммарное содержание примесей на уровне 10-6 ат. %, и примерно для одной трети химических элементов суммарное содержание примесей близко 10-3 ат. %. Абсолютное содержание примесей даже в наиболее чистых твердотельных веществах составляет 1015-1016 ат./см3. Это не тот уровень, за которым исчезнет влияние примесей на свойства вещества. Известно, что примеси и дефекты структуры вносят соответствующие вклады в количественное значение исследуемых свойств. При повышении степени чистоты вещества может наступить состояние, когда вклад дефектов в изучаемое свойство сравняется с величиной вклада от примесей. Соответствующее этому содержание примесей - нижняя граница области примесной чувствительности, характеристическое для зависимости «свойство высокочистого вещества - содержание примеси». Нахождение таких значений для всех примесночувствительных свойств относится к основным задачам химии высокочистых веществ. Главное направление исследований ИХВВ РАН состоит в продвижении к новому, более высокому уровню чистоты как в самых чистых на сегодня веществах, так и тех, степень чистоты которых невелика. Получение более чистых веществ может привести к обнаружению новых или более яркому проявлению известных свойств веществ.