В преддверии Дня российской науки члены экспертных советов Российского научного фонда представили главные научные тренды, за которыми стоит следить в ближайшие годы. Главный научный сотрудник Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН, председатель экспертного совета РНФ по конкурсам инициативных проектов доктор химических наук академик РАН Юлия Горбунова выделила несколько ключевых направлений исследования в области химии, а также проиллюстрировала их проектами, поддержанными Фондом.
// Какие передовые научные направления исследований можно выделить в области химии?
В недавнем Указе Президента России «О приоритетных направлениях научно-технологического развития и перечне важнейших наукоёмких технологий» химия занимает большое место и выступает в роли сквозной науки: она и в новой энергетике, медицине, в сельском хозяйстве, приборостроении и автомобилестроении, и многих других сферах развития технологий нашей страны. Именно поэтому Форум будущих технологий, который пройдет в феврале, посвящён новым материалам и химии.
Действительно, сегодня химия для России, которая обладает уникальными запасами природных ресурсов, – ключевая наука, поскольку без нее невозможно создание технологий обогащения и переработки сырья, получение из него новых продуктов и материалов.
Основная задача, которая стоит перед химиками в ближайшие 15—20 лет — научиться синтезировать и производить любое вещество или материал, которое может представлять научный или практический интерес, используя компактные схемы синтеза и процессы с высокой селективностью, низким энергопотреблением и минимальной экологической нагрузкой, а также научиться предсказывать химическую структуру соединений и материалов с требуемыми свойствами.
Сегодня около 90 % объёма современного химического производства основано на каталитических реакциях. Катализаторы ускоряют процессы получения новых материалов и широко используются при переработке нефти, производстве полимеров и превращении низкосортного сырья в высокоценные продукты, помогают развивать методы, так называемой «зелёной химии» и проведения «атом-экономных реакций», разрабатывать способы улавливания парниковых газов и малоотходные химические технологии.
При поддержке РНФ сейчас развиваются десятки проектов в этой области. Одна из целей — повышение каталитической активности существующих катализаторов, приводящее к сокращению его количества при создании продукта. Например, научный коллектив под руководством академика Валентина Ананикова и его учеников из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН научились отслеживать каталитические процессы на уровне отдельных активных частиц и анализировать их структуру с применением искусственного интеллекта, что даёт возможность на порядки сократить расход катализатора.
Последние десятилетия ознаменованы существенным развитием металлокомплексного катализа, применением гетерогенных катализаторов, при этом современной тенденцией является разработка органокатализа. Так, например, команда Виктора Чернышева из Южно-Российского государственного политехнического университета им. М. И. Платова в рамках совместного российско-китайского проекта РНФ учится превращать целлюлозу и лигнин в химические реагенты и топливо. Для этого исследователи как раз и применяют наряду с металлокомплексными и гетерогенными катализаторами, органокатализ. Практическая значимость проекта заключается в создании способов получения востребованных химических соединений, из лигноцеллюлозы – возобновляемого непищевого растительного сырья, крупнотоннажного отхода растениеводства и лесопереработки.
РНФ – это не только фундаментальные исследования, создающие задел на будущее, но и прикладные, те, которые выходят за пределы лабораторий и готовятся к выходу на рынок. Так, коллектив из МГУ и Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН разрабатывает полностью отечественные гетерогенные катализаторы для их внедрения в современные высокопроизводительные технологии производства полиолефинов (полиэтилена, полипропилена), востребованных в производстве труб, упаковочных и конструкционных материалов, автомобильной индустрии.
Очень важными направлениями в химии и материаловедении являются технологии, связанные с конверсией энергии света в полезную химическую/физическую работу. Здесь катализ снова не остаётся в стороне, очень активно развивается такое направление, как фотокатализ. Его недаром называют «зелёной» технологией: для запуска химических реакций используется видимый (солнечный) свет, что делает его более экологически чистым по сравнению с традиционными химическими процессами. Кроме того, он позволяет в ряде случаев уйти от применения дорогостоящих металлов.
Так, группа Марии Калининой из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН разрабатывает гибридные функциональные материалы для фотокатализа. Сочетая в себе органические и неорганические компоненты, такой материал можно «обучить» выполнять разные задачи: например, в отсутствие света гибрид может работать эффективным катализатором для синтеза ценных продуктов, а при воздействии освещения очищать реакционную смесь от побочных продуктов, которые образовались на предыдущем этапе. Исследователи первыми в мире стали использовать комбинаторный подход: с помощью одного и того же набора слабых нековалентных взаимодействий собираются разные сочетания компонентов таким образом, чтобы их взаимоотношения в материале были предсказуемы. Это также один их трендов мировой науки — разработка мультифункциональных «умных» материалов, выполняющих разные задачи при изменении внешних условий.
// Сегодня химики делают различные тест-системы для определения тех или иных веществ. Насколько это направление популярно и востребовано?
Действительно, еще одно важное направление развития химии — это сенсорика, диагностические системы. Для разработки таких материалов тоже зачастую применяются технологии, связанные с излучением света, например, использование люминесцентных материалов в тест-системах для диагностики заболеваний и выявления загрязнителей в различных средах. Так, команда Владимира Федина из Новосибирска создала быстрые и сверхчувствительные сенсоры для разных целей: определения антибиотиков в продуктах питания, а также для защиты денежных купюр, документов и дорогих товаров от подделывания. Немного другие люминесцентные комплексы использует в работе Сергей Туник из СПбГУ, они могут лечь в основу исследований клеток и тканей человека в здоровом состоянии и при патологиях. Целый ряд проектов посвящён разработке фотоактивных соединений для диагностики и терапии злокачественных заболеваний (Университета Лобачевского, ИФХЭ РАН, МИРЭА, ИГХТУ).
Конечно нельзя не упомянуть проекты, связанные с органической электроникой, фотоникой и робототехникой. Некоторые направления научных исследований похожи на фантастику, но это уже наша реальность, с которой мои коллеги по цеху работают ежедневно. Например, бурное развитие гибкой электроники. Так, в рамках проектов лабораторий мирового уровня под руководством Сергея Пономаренко из Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН создаются материалы, которые ложатся в основу гибких дисплеев и печатных датчиков — искусственная кожа и мышцы, электронный нос и другие сенсоры. Еще одна группа из этого же института под руководством Юрия Лупоносова в рамках проектов прикладных исследований ищет подходы к получению более эффективных и стабильных органических полупроводниковых материалов для производства OLED-структур для дисплеев и микродисплеев. Локализация такого производства в России во многом обеспечит независимость от импортных материалов и технологий.
Не менее интересны проекты Александра Трифонова из Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН и Евгения Гудилина из МГУ.
Конечно, говоря о высокоэффективной и ресурсосберегающей энергетике нельзя обойти технологии, связанные с портативными источниками энергии. Так профессор МГУ Евгений Антипов совместно с коллегами из Сколтеха заложили фундаментальные и практические основы разработки и производства электродных материалов для металл-ионных аккумуляторов нового поколения. Эти работы в конце прошлого года были отмечены одновременно двумя крупнейшими российскими премиями: «Сбера» и премией «Вызов», что безусловно, ещё раз подчёркивает высочайший уровень исследований, поддерживаемых Российским научным фондом.
***
Смотрите запись выступления учёных на пресс-конференции РНФ в ТАСС в социальной сети «ВКонтакте».
Источник: РНФ.