Очерк о истории открытия и развития ЭФС

Очерк о истории открытия  и развития электронной феноменологической спектроскопии


Выдающееся достижение науки – спектроскопия – сформировалась в эпоху промышленной революции в 17-19 веках и связана с развитием науки о светооптике.
Физическая эпоха исследования света началась с открытием Маркусом Марци (1648 г.) и Исааком Ньютоном (1666 г.) явления разложения (дисперсии) света на цветные лучи. В 1672 году Ньютон представил на заседании королевского научного общества работу “Новая теория света и цветов”, которую впоследствии опубликовал в книге “Оптика” (1704 г.). В этом труде Ньютон физически доказал не только сложный характер света, но и единство цвета и света. В 1672-1678 гг. Христиан Гюйгенс обосновал волновую природу света. В 1729 г. немецкий физик Питер Бугер вывел закон связи насыщенности цвета и толщины поглощающего свет слоя, впоследствии изученный Иоганном Ламбертом (1760 г.). В 1795 г. академик Василий Михайлович Севергин (1765-1826 гг.), русский минералог и химик, открыл закон связи цвета с концентрацией растворов, который был использован для определения железа в руде и предвосхитил работы немецкого физика Августа Бера (1852 г.). Эти открытия стали предтечей спектроскопии. В 1859 г., направляя на фотопленку испускаемый веществом свет, расщепленный на лучи с определенной длиной волны, Роберт Бунзен и Густав Кирхгофф получили спектры.

Открытие спектроскопии внесло решающий вклад в появление и развитие квантовой теории Макса Планка, теории строения атомов Нильса Бора и последующее развитие квантовой теории Эрвином Шредингером, Робертом Малликеном и другими учёными. Было доказано, что электронные спектры связаны с переходом электронов в атомах и молекулах с одного энергетического уровня на другой. Позже, в первой половине 20-го века, было аргументировано, что спектры поглощения и отражения вещества определяют химическую структуру, состав простых и цвет сложных веществ. При этом тонкая структура спектров и различные пики являются индивидуальными маркерами для различных веществ.

Теперь представим ситуацию: а если бы мы ничего не знали о строении атомов и молекул? Тогда бы мы изучали вещество, исследуя суммарное поглощение света. В этом состоит идея предлагаемого нами нового научного направления электронной феноменологической спектроскопии (ЭФС), основой которой является представление спектра как непрерывной квантовой системы без выделения отдельных линий и полос. Изучение интегральных широкополосные характеристик сигналов спектров позволило обнаружить новые эффекты. Суть этих эффектов, которые находятся в основе ЭФС, заключается во взаимосвязи физических, химических и других свойств молекул и сложных веществ с такими широкополосными характеристиками спектров в видимой, ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях. Мы рассматриваем не отдельные полосы спектров отражения и поглощения, а весь квантовый континуум (ранее понятие квантового континуума использовалось физиками в квантовой теории гравитации).

Впервые эта идея о связи свойств и спектров («спектр-свойство») была озвучена в 1986 году, когда я начал изучать спектры нефтяных фракций. Кроме того, на эти мысли навели работы, выполненные З.Ф. Кузьминой по исследованию связи коэффициентов поглощения света с выходом углерода при термическом разложении нефтяных остатков, а также исследования И.Л. Мархасиным по связи этих коэффициентов с молекулярной массой нефтяных асфальтенов. В дальнейшем эта гипотеза связи свойств с широкими полосами спектров и интегральными по составу вещества коэффициентами отражения и поглощения нашла подтверждение в многочисленных экспериментах и расчетах, выполненных нами в период с 1986 года по настоящее время. Установлена связь с вязкостью, плотностью, температурами кипения, плотностью и другими свойствами веществ. Эксперименты мы проводили вместе с Гузель Мукаевой, З.Ф. Кузьминой и рядом молодых учёных в Институте нефтепереработки (БашНИИНП; г. Уфа), которые работали под моим руководством.
В работах, проведенных с 1986 по 1989 гг. в институте Нефтехимпереработки (БашНИИНП) на основе эффектов связи физико-химических свойств и интегральных коэффициентов поглощения, нами были разработаны методики определения свойств нефти, нефтяных остатков и ряда нефтепродуктов. Важно отметить, что эти исследования были поняты и поддержаны директором института Д.Ф. Варфоломеевым. Три года они выполнялись при поддержке ГКНТ СССР. Содержание этого направления отражено в исследованиях, выполненных совместно с З.Ф. Кузьминой,
Л.М. Хашпером, С.П. Ломакиным и др.

В работах, выполненных в 1988-1995 гг. совместно с Мукаевой Г.Р., была показана возможность феноменологического подхода не только к оптическим спектрам сложным веществ, но и к спектрам атомов и молекул [14-18]. Для атомных и молекулярных систем, близких по химической природе, нами были установлены эффекты, связывающие интегральные характеристики оптических спектров веществ с совокупностью их физико-химических свойств. Например, связь этих свойств и интегральной способности поглощать излучение в широком диапазоне частот или длины волн, включая эффекты, связывающие потенциалы ионизации (ПИ) и сродства к электрону (СЭ) атомов и молекул с интегральными силами осцилляторов в видимой и УФ области. В дальнейшем эти эффекты были определены нами как эффект «спектр-свойства». В небольшой брошюре, изданной мной в 1989 году в Уфе и последующих изданиях в Москве в 1991 году, были рассмотрены перспективы определения эффективных потенциалов ионизации и сродства к электрону, характеризующие средние донорно-акцепторные свойства сложных молекулярных смесей, например, фракций смол, асфальтенов и углеводородных дистиллятов. Показано, что эти характеристики отражают реакционную способность таких систем в реакциях термолиза и термоконденсации, а также характеризуют их способность взаимодействовать с растворителями. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментом. Таким образом, ЭФС является единственным методом, позволяющим изучать характеристики реакционной способности смесей с огромным количеством компонентов.

В 1988-1989 гг. специалистами НПО «Геофизика» г. Уфы совместно с Муравьевым П.П., Доломатовой Л.А. и Кузьминой З.Ф. был разработан метод идентификации сложных углеводородных систем по интегральным параметрам спектров. Это дало возможность его применения в нефтяной промышленности для контроля окружающей среды, а также в криминалистике [25, 26]. В 1989-1991 гг. в НПО «Нефтегазтехнология» совместно с А.Г. Телиным и Н.И. Хисамутдиновым были изучены возможности применения ЭФС в технологии разработки нефтяных месторождений и в решении ряда задач, связанных с исследованиями свойств поверхностных нефтей, определения продуктивности нефтяных пластов и свойств асфальто-смоло-парафиновых отложений в призабойной зоне нефтяных скважин, которые получили развитие в последние годы.

В марте 1991 года, после ликвидации лаборатории физических методов в БашНИИНП, мы продолжили исследования в НИИЦ «Нефтегазтехнология» в лаборатории А.Г. Телина и Н.А. Хисамутдинова. Термин «электронная феноменологическая спектроскопия» был предложен в 1990 году профессором Г.П. Гладышевым, которому я представил тогда свою докторскую диссертацию, где обозначил новое направление как интегральную электронную спектроскопию. Георгий Павлович посоветовал назвать его более подходящим термином: электронной феноменологической спектроскопией.

В 1994-2015 гг. мы продолжили работы по ЭФС в Уфимском университете экономики и сервиса, сначала на кафедре «Технологии полимерных материалов», которой я заведовал 11 лет с 1994 по 2005 гг., а с 2006 г. – на кафедре физики. В ходе исследований нам удалось открыть несколько интересных и неизвестных ранее в оптике и спектроскопии закономерностей. Если говорить кратко, то они позволяют устанавливать взаимосвязь между способностью вещества поглощать суммарное излучение во всем диапазоне спектра и даже цветом вещества и свойствами. Первые кандидатские диссертации по ЭФС были защищены в 1995 и 1996 гг. аспирантами
Л.М. Хашпером и Г.Р. Мукаевой в г. Томске на ученом совете ИХН СО РАН. Надо сказать, что ученые Томска первыми поняли значение ЭФС для нефтехимии. Работы по ЭФС активно поддержали профессор Ф.Г. Унгер, академик Ф.Г. Большаков, профессоры Т.А. Сагоченко и Л.С. Мин, а также А.А. Полякова, д. ф.-м.н., профессор Московского ВНИИНП и другие.

Современное учение о цвете – это одна из немногих областей знаний, объединяющих разных специалистов. Законы цвета изучали такие выдающиеся люди, как русский учёный и энциклопедист М.В. Ломоносов, немецкий поэт и учёный Иоганн Вольфганг фон Гёте, математик Герман Гюнтер Грассман, физик Джеймс Максвелл, физик и физиолог Герман Людвиг Гельмгольц, химики Отто Николаус Витт, Карл Теодор Либерман и многие другие. С конца 19-го до середины 20-го веков были сделаны многие выдающиеся открытия в этой области: к примеру, в технике разработаны стандарты и приборы, позволяющие измерять цвет, количественно определять тон, насыщенность, светлоту и другие свойства цвета.

Несмотря на то, что очень многое в этой области кажется изученным, отдельные вопросы остались неясными. В их числе, к примеру, проблемы связи цвета и физических свойств, хотя еще средневековые алхимики интуитивно отмечали связь между цветом и изменением химической природы и свойств веществ. Позже в физике стал известен закон, связывающий цвет вещества и температуру, – закон Вина.
Поэтому интерес представляет ответ на вопрос: «Существует ли связь между цветовыми характеристиками веществ и их другими физическими свойствами?». Нам удалось приблизиться к решению этой проблемы.

В серии работ, проведенных нами в 1997-2015 гг. совместно с молодыми учеными Кыдыргычевой О.Т., Карташевой В.Н., Ярмухаметовой Г.Р., Шуляковской Д.О. и др., получены новые результаты в области физики цвета, которые дают ответ на поставленный вопрос. Были обнаружены и изучены эффекты, связывающие физико-химические свойства сложных веществ с их интегральной способностью поглощать излучение в видимом диапазоне спектра и цветовыми характеристиками в системе RGB и XYZ (оптические эффекты «цвет-свойства»). Установлено, что цветовые характеристики и сложные свойства молекул, такие как количественная способность отдавать и принимать электроны, связаны между собой. Кроме того, было обнаружено, что для очень сложных веществ, например, нефти, такие свойства как плотность, средняя молярная масса, вязкость и другие связаны с цветовыми характеристиками. Эти открытые нами явления, связывающие различные физические и химические свойства очень сложных веществ с цветовыми характеристиками, мы назвали эффектами «цвет-свойства».

Подчеркну, что работы были выполнены в 2006-2009 гг. без какого-либо финансирования в небольшой и плохо оснащенной лаборатории на кафедре физики УГАЭС. Я искренне благодарен профессору Семёну Валентиновичу Шапиро, своему другу, заведующему кафедрой физики, которого, к сожалению, уже нет с нами, за поддержку исследований. В тот период, когда у нас не было лаборатории, он разрешил нам отгородить половину учебной аудитории, и мы начали работу на старых спектрофотометрах. Именно там вместе с аспирантами Ярмухаметовой Г.У. и Шуляковской Д.О. был выполнен ряд интересных работ, в том числе проведены исследования по применению ЭФС в нанотехнологии и физике конденсированного состояния. Нам удалось обнаружить связь энергий электронных уровней в молекулах органических диэлектриков, полупроводников и наночастиц с цветовыми характеристиками. Эти работы были представлены на международном конгрессе Nanotech of Europe-2009 в Берлине и отмечены премией. А в 2013 году при поддержке А.Н. Дегтярёва была создана специализированная лаборатория и закуплены новые приборы.

Развитие работ по ЭФС в нашей лаборатории в 2013-2015 гг. совместно с Шуляковской Д.О., Маннаповым Р.С. и Доломатовой М.М. привело к разработке методики контроля свойств углеводородных систем по их фотоизображениям и открыло дорогу для дистанционного исследования свойств сложных веществ на производстве и мониторинге Земли и космоса. Инженерам-технологам эти эффекты можно дистанционно использовать для контроля свойств различных продуктов в реакторах. Мы сделали также ряд изобретений, в которых реализованы способы применения эффектов «цвет-свойства» для контроля технологических процессов в нефтехимии, нефтепереработке и нанотехнологиях.

В 2009 году по закономерностям «Цвет-свойства» Г.У. Ярмухаметовой была защищена диссертация, а в 2015 году – диссертация Д.О. Шуляковской, посвященная контролю свойств объектов нефтехимии по фотоизображениям.

Параллельно, в период моей работы профессором на кафедре Физической электроники и нанофизики, мы проводили исследование физики ЭФС в Физико-техническом институте Башкирского государственного университета (ныне «Уфимский институт науки и технологий»). Важной особенностью исследований в 2012-2018 гг. является применение методов статистической радиофизики и формирование дескрипторного подхода с использованием автокорреляционных интегральных широкополосных параметров спектров для решения задач определения физико-химических свойств и электронной структуры молекул и наночастиц. Аспирантами К.Ф. Латыповым и
М.М. Доломатовой были подготовлены и успешно защищены две кандидатские диссертации по ЭФС. Работа была поддержана д.ф.-м. наук профессором
Р.З. Бахтизиным. На основе применения идей статистической радиофизики к электронным спектрам разработали методики определения электронных состояний гетероатомных молекул и полициклических органических полупроводников. При этом было установлено, что для полициклических ароматических углеводородов наилучшие результаты могут быть достигнуты при учете шенфлисовских групп симметрии ядерного остова молекул и наночастиц. В феврале 2018 г. по итогам симпозиума «Бутлеровское наследие –17-18» в г. Казани авторы этих работ: Доломатов М.Ю., Латыпов К.Ф., Ковалева Э.А. и Паймурзина Н.Х. – были удостоены медали имени академика Н.С. Зефирова научного фонда имени А.М. Бутлерова.

Интересные результаты были получены по идентификации пищевых продуктов. Как-то, путешествуя по Башкирии в Ермолаевском районе, я увидел торговцев, бойко продававших на дороге по весьма большим ценам мёд «бурзянской дикой пчелы», которая является реликтовой. Возникли сомнения, и я купил немного меда для лабораторных исследований. В итоге мы разработали способ определения подлинности пчелиного мёда методом ЭФС, который запатентовали. Наш метод показал, что жулики выдавали за мёд «бурзянской дикой пчелы» смесь обычного цветочного мёда и сахарного сиропа.

В период с 2018 г. по настоящее время работы по ЭФС продолжились в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ). В специализированной лаборатории проводятся работы по применению ЭФС к исследованию качества углеводородного сырья для получения углеродных материалов: анизотропного углерода, пеков и т. д. Показана возможность прогнозирования физико-химических свойств сырья, жидких продуктов термолиза и даже структуры материалов с использованием принципов «спектр-свойства».

Следует отметить, что наши исследования не ограничивались молекулярными и многокомпонентными углеводородными системами. Мы нашли возможности применения ЭФС в клинической медицине.

История этого вопроса интересна. В 2001 году, переходя улицу, я попал в ДТП, был сбит автомобилем и долго лечился в РКБ имени Куватова, где познакомился с Калашченко Н.В., прекрасным ученым-медиком, к.м.н., доцентом кафедры терапии БГМУ. Николай Васильевич заинтересовался моими работами по ЭФС, и мы решили попробовать применить их в медицине. В период 2002-2012 гг. в РКБ им. Куватова и БГМУ г. Уфы под руководством к.м.н., доцента Калашченко Н.В. нами были проведены серьезные исследования по приложению методов ЭФС в медицинской диагностике. Эти исследования были обобщены в монографии и ряде публикаций в физических и медицинских журналах. Решающий вклад в работу сделан к.м.н., доцентом Калашченко Н.В.; к.т.н., доцентом Дезорцевым С.В.; врачом-нейрохирургом Араслановым Т.Р. В ходе многолетних и многочисленных исследований было установлено, что интегральные оптические характеристики и определенные по ним квантовые характеристики крови и других биологических жидкостей характеризуют здоровье человека. Например, эффективные ПИ и СЭ, интегральные силы осцилляторов и цветовые характеристики несут информацию о состоянии здоровья и таких тяжелых заболеваниях, как почечная недостаточность, цирроз печени и опухоли головного мозга.

Идеи по исследованию срезов биологических тканей в норме и патологии методом, отражающей ЭФС, инициировал Флегиль Давид Михайлович, известный патологоанатом, к.м.н. К сожалению, его болезнь и преждевременная смерть помешали осуществлению этой идеи.

Важную медицинскую информацию дают также цветовые характеристики крови. Мерой патологии является отклонение этих параметров от значений, характерных для здоровых людей. Кроме того, установлено, что квантовые параметры плазмы и сыворотки крови – эффективные потенциалы ионизации и сродства к электрону – могут служить характеристиками состояния здоровья. Это наглядно демонстрирует глубинную связь характеристик микро- и макромира в организме человека, тогда как нарушение связей приводит к тяжёлым заболеваниям. На эту тему нами опубликована монография, которая содержит также информацию о связи цветовых характеристик крови с колориметрическими характеристиками. Особый интерес представляют новые методы медицинской диагностики, разработанные нами на основе исследования оптических и цветовых характеристик крови. Выяснилось, что цвет крови смещается в красную или синюю область в зависимости от заболеваний человека.

Не могу не подчеркнуть, что полученные нами экспериментальные результаты представляют интерес для развития квантовой теории, а также разработки новых концепций расчета молекул и твердых тел. Обнаруженные закономерности очевидно свидетельствуют об обусловленности всех физических и химических свойств всеми взаимодействующими электронами атомов молекул и твердых тел, а не только валентными электронами, как это принято считать в физике и химии. Иными словами, свойства частиц и тел формируют все электроны, для которых характерна квантовая запутанность электронных состояний, а также нарушение принципа ортогональности.
 
Не менее важно отметить, что введенное мною в ЭФС понятие квантового континуума, которое  ранее использовалось только в теории квантовой гравитации  имеет четкую физическую основу. Электронные оболочки формируют поверхности всех тел. Мы непосредственно ощущаем органами чувств этот континуум – огромную совокупность электронных оболочек атомов и молекул. Так, проводя рукой по книге или воде, мы совершаем работу над совокупностью электронных оболочек и ощущаем свойства тел (получаем информацию о свойствах). На основе полученной от квантового континуума информации мы говорим, что вода в стакане находится в жидком состоянии, бумага мягкая, а сталь твердая. Мы, как живые разумные существа, находимся в этой макроскопической квантовой среде. Таким образом, квантовый континуум – среда электронных оболочек тел – формирует все макроскопические свойства земной и неземной материи. Это понятие, наряду с характерной для квантового континуума квантовой запутанностью, объясняет открытые нами эффекты «Спектр-свойства».

Практическое использование установленных эффектов позволит заменить большое количество оборудования по измерению физико-химических свойств сложных веществ, например, нефтей и нефтепродуктов, надмолекулярных клеточных структур, геномов, смесей биополимеров, обычными спектральными оптическими приборами. Особый интерес представляет применение ЭФС в астрофизике и космохимии для изучения физико-химических свойств молекулярных скоплений в межзвездной среде и органики комет и планет.

Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о том, что электромагнитное излучение и свет содержат информацию о всех свойствах материи. Задача исследователя состоит в том, чтобы расшифровать эту информацию в спектрах.
Основные публикации по ЭФС приведены ниже.

Библиография
Монографии:
1. Феноменологическая электронная спектроскопия м ее применение в исследовании сложных молекулярных систем в технологии, химии, физике и медицине.Монография. Серия « Бутлеровское наследие» Под научной редакцией М.Ю. Доломатова. -Казань:  ООО Изд. дом Бутлеровское наследие,-2024.-304с.
2. Доломатов М.Ю., Ковалева Э.А., Латыпов К.Ф. Электронная феноменологическая спектроскопия и её применение в исследовании сложных веществ в технологии, химии, нанофизике и медицине: монография. Часть 1. Электронная феноменологическая спектроскопия в исследовании свойств и структуры молекул и наночастиц. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2019. – 324 с.
3. Dolomatov M. // Chapter «New results in the theory and practical application of color» In monography «Color detection» edited by L. Zeng and S. Cao. London: IntechOpen – 2019; p. 9-37. http://dx.doi.org/10.5772/intechopen. 74906
4. Калашченко Н.В., Доломатов М.Ю., Дезорцев С.В. Электронная феноменологическая спектроскопия крови человека в норме и патологии. Теория и практические аспекты: – М.: Интер, 2010. – 255 с.
5. Доломатов М..Ю. Фрагменты теории реального вещества. – М.: Химия, 2005. – 208 с.
6. Доломатов М.Ю. Химическая физика многокомпонентных органических систем: – Уфа: ИХНП АН РБ, 2000. – 123 с.
7. Доломатов М.Ю. Физико-химические основы новых методов исследования сложных многокомпонентных систем. Перспективы практического использования. – М.: ЦНИТЭНефтехим,1991. – 72 с.
8. Доломатов М.Ю. Применение электронной спектроскопии в физико-химии многокомпонентных стохастических смесей и сложных молекулярных систем. – Уфа: ЦНТИ, 1989. –47 с.

Обзорные статьи
1. Доломатов М.Ю. Некоторые физико-химические аспекты прогнозирования свойств многокомпонентных систем в условиях экстремальных воздействий. // ЖРХО им. Д.И. Менделеева. – 1990, т. 35. – № 5. – С. 632-638.
2. Доломатов М.Ю. Применение электронной феноменологической спектроскопии для идентификации и исследования сложных органических систем // Химия и технология топлив и масел – 1995, № 1. – С. 29-32.
3. Dolomatov M.Yu., Mukaeva G.R., Shulyakovskaya D.O. Electron Phenomenological Spectroscopy and its Application in Investigating Complex Substances in Chemistry, Nanotechnology and Medicine // Journal of Materials Science and Engineering B. – 2013. – V .3, N 3. – P.183-199.
4. Калашченко Н.В., Доломатов М.Ю., Дезорцев С.В., Попова Е.А., Курманкаева Р.Р. Особенности цветовых характеристик компонентов крови человека в норме и патологии // Журнал прикладной спектроскопии. – 2006. Т. 73, № 2. – С. 220-225.
5. Dolomatov M. Yu., Kalashchenko N. V., Desortcev S. V., Araslanov T.R. Spectroscopic Phenomenologycal Estimation of the Functional State of Human Organism in Rate and Pathology // International Journal of Clinical Medicine, 2011, N 2, pp. 79-81.
6. Доломатов М.Ю., Мукаева Г.Р. Спектроскопический контроль свойств органических веществ и материалов по корреляциям свойство-коэффициент поглощения. // Журнал прикладной спектроскопии. 1998. Т. 65. № 3. С. 438-440.
7. Доломатов М.Ю., Ярмухаметова Г.У. Взаимосвязь цветовых характеристик и первых потенциалов ионизации молекул органических веществ. // Прикладная физика. – 2009. – № 5. – С. 31-38.
8. Доломатов М.Ю., Карташева В.В. Определение свойств нефтей и нефтепродуктов по корреляциям цвет-свойство и спектр-свойство // Химическая технология. 2004. № 2. С. 12-14.
9. Доломатов, М.Ю., Шуляковская Д.О., Г.У. Ярмухаметова, Г.Р. Мукаева. Оценка физико-химических свойств углеводородных систем по корреляциям спектр-свойства и цвет-свойства // Химия и технология топлив и масел. – 2013. - №3. – С. 52-56.
10. Доломатов М.Ю., Латыпов К.Ф. Применение методов статистической радиофизики для оценки потенциалов ионизации и сродства к электрону молекул по спектрам поглощения электромагнитного излучения в петагерцевой области // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2017. – Т. 22. –
№ 2; с. 54-60.

СМИ
1. Цвет определяет свойства // «Известия Башкортостана» № 144 от 31.01.1996.
2. На передовых рубежах. Макроуспех уфимских наномэтров. "Вечерняя Уфа" № 207 (10838).
3. Общественно-политическая газета «Вечерняя Уфа». «Дом науки». Михаил Доломатов: “Даже у хаоса есть свои законы” (2014 г.): 4. Новый метод диагностики болезней https://www.youtube.com/watch?v=E2yV7jl1VhE&ab_channel=UGUESIO
5. Выступление на канале БСТ (Репортаж в новостях «Учёные из Уфы запатентовали новый способ определения подлинности башкирского меда»); http://ufa-news.net/other/2015/05/27/57081-amp.html. Апрель 2018 г.
6.


Уфа-Иглино
1924-2026 гг.