http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=3eaa6545-7343-4dc8-ba20-6e11918e5d84&print=1© 2024 Российская академия наук
Академик Юлия Горбунова объясняет, как выстроить молекулы по фэншуй
Какие новые материалы дает современная химия, почему слово «нахимичить» имеет отрицательную коннотацию и правильно ли это, по какой причине школьная химия часто скучна и может ли быть иначе, да и вообще, почему без химии нет жизни, рассуждает академик Юлия Горбунова, главный научный сотрудник Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова, главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина.
— Юлия Германовна, почитала о тематиках ваших исследований. Их очень много, и, честно говоря, дилетанту понять, что это такое, совершенно невозможно. Предлагаю остановиться на какой-то одной. Вот, например, недавно в российском обзорном журнале первого квартиля «Успехи химии» вышла ваша статья «Металл-органические координационные полимеры — основа функциональных материалов нового поколения». О чем речь?
— Этот обзор вошел в тематический номер журнала по такой важной сегодня тематике, как создание металл-органических координационных полимеров. У нас в России в этой области исследований работает несколько групп — в Москве, Новосибирске, Самаре. Занимаемся этим и мы в Институте общей и неорганической химии и Институте физической химии и электрохимии. В англоязычной литературе такие структуры называются MOF, Metal Organic Frameworks, а в русской — металл-органические координационные полимеры (МОКП).
Из органических молекул и связывающих их металлов-кластеров возможно создать высокопористый материал с высокой площадью поверхности и порами определенного размера и свойств. Таким образом можно получить вещество, которое, обладая массой, например, 1 грамм, будет иметь поверхность размером с футбольное поле.
РАЗДЕЛИТЬ ГАЗЫ
— Чем же обусловлен интерес к таким материалам?
— Прежде всего перспективами их широкого практического применения в качестве компонентов для нового поколения разного рода функциональных материалов с улучшенными или уникальными характеристиками.
Так, например, металл-органические координационные полимеры демонстрируют рекордные сорбционные характеристики среди всех пористых материалов, что открывает уникальные перспективы их использования, например, в гетерогенном катализе, в процессах разделения сложных смесей, очистке и хранении промышленно важных газов, таких как водород, метан, углекислый газ, ацетилен, а также в разработке новых типов сенсоров или в процессах доставки лекарственных средств пролонгированного действия.
Первоначально металл-координационные полимеры получены именно для хранения газов и разделения сложных систем путем настройки размера пор. Этим с начала 2000-х годов занимается научная школа члена-корреспондента Владимира Петровича Федина в Институте неорганической химии Сибирского отделения РАН.
— А зачем их разделять?
— Для различных химических процессов нужны чистые соединения. Так, например, в группе Федина научились селективно разделять этилен и этан. Этилен — самое производимое органическое соединение в мире: мировое производство этилена составляет более 150 миллионов тонн в год. Его получают крекингом углеводородов, при котором необходимо разделять продукты, а особо сложно — этан. Полученные коллегами сорбенты на основе МОКП могут высокоселективно отделять этилен от этана. В Институте физической химии и электрохимии РАН разрабатывают селективные адсорбенты для хранения и перевозки метана. Или, например, такой сверхважный газ, как водород. Сейчас очень много внимания уделяется водородной энергетике и получению чистого водорода, но вот хранение водорода, перевозка такого взрывоопасного газа — это отдельная задача.
А сегодня области применения МОКП значительно расширились. Наличие магнитных или фотоактивных центров в металл-органических полимерных молекулах позволяет рассчитывать на создание молекулярных магнитов, фотомагнетиков или фотоактивных молекул, которые могут использоваться при создании новых типов носителей информации, квантовых компьютеров и различных магнитно- и оптико-механических устройств.
МОКП используется для катализа — а это основа химии, дающая возможность ускорения химических реакций, в том числе и в так называемых зеленых условиях. Они используются в катализе либо сами по себе, либо на их большую поверхность пришиваются каталитически активные молекулы. Есть работы, в которых описаны реакции, идущие непосредственно в порах таких материалов.
ДОСТАВИТЬ ЛЕКАРСТВА
— Чем в этом смысле отличилась ваша лаборатория?
— Как раз этому и посвящен наш обзор, который называется «Пористые металл-органические координационные полимеры на основе порфиринов: синтез, строение, сорбционные свойства и перспективы применения». Порфирины — очень интересный и важный класс соединений, который встречается в природе (это, например, основная составляющая всем известного гемоглобина, хлорофилл, витамин B12). Мы занимаемся получением синтетических аналогов этих соединений для их использования во многих современных приложениях.
Для получения МОКП эта молекула хороша тем, что она большая и на ее основе можно создавать большие поры, а с другой стороны, молекула порфирина очень хорошо функционализируется, и, вводя в эту молекулу различные функциональные группы, можно очень тонко настраивать структуру металл-органического сорбента. Мы показали способы синтеза таких соединений и новые возможности их приложений.
— Какие же это приложения?
— Оказалось, что в случае порфирина вообще очень много дополнительных возможностей. Помимо катализа это возможность использования в медицине для адресной доставки лекарств, когда в поры помещается некое активное вещество, которое нужно доставить в определенные ткани, органы или клетки.
В нашей лаборатории, используя порфирины с фосфонатными заместителями, мы разработали целую серию сорбентов, которые могут быть активными протонными проводниками. Такие материалы важны для создания мембран топливных элементов. Сегодня для этого в основном используют полимерные соединения, но там есть свои сложности. Они работают в определенном температурном интервале, при особой влажности, с ними сложнее иметь дело, поскольку они не кристаллические. Поэтому сейчас ведутся работы с тем, чтобы создавать различные добавки или мембраны на основе МОКП.
В качестве органической компоненты, которая строит этот каркас, выступает в нашем случае порфирин, а также могут использоваться кластеры металлов — например, цинк, медь, цирконий. Варьируя разные параметры, мы осуществляем дизайн молекулы. Как в квартире мы расставляем мебель по фэншуй, так же и здесь мы выстраиваем молекулы так, чтобы из них получились соответствующие трехмерные структуры. А еще такие соединения можно использовать в фотокатализе.
— Но ведь в фотокатализе можно использовать и чистый порфирин, без примесей?
— Конечно, чистый порфирин тоже используется в фотокатализе, но такие реакции, как правило, идут в растворах, и потом катализатор нужно выделять из этой реакции, а это дополнительная стадия, что для индустрии часто неудобно. Здесь же каркас уже собрался и ни в чем не растворяется, поэтому вы можете добавить его в любую реакционную среду, провести реакцию, отфильтровать и запустить в новый цикл.
Сейчас стоит большая проблема утилизации углекислого газа. Здесь тоже помогут адсорбенты, которые могут селективно удерживать этот газ, а также разделять смеси, например, с метаном. На основе таких соединений также можно делать сенсоры, это тоже новое современное направление в химии.
— Вы сказали, что подбираете молекулы по фэншуй. А можно здесь использовать математические модели?
— Есть тенденция использования для химии систем искусственного интеллекта. Иногда это называют хемоинформатикой, или инфохимией. Группа профессора Владислава Анатольевича Блатова из Самарского технического университета, например, занимается предсказанием свойств еще неизвестных металл-органических координационных полимеров. Для этого используются специально созданные компьютерные программы, которые умеют обрабатывать структурные данные. Их работы посвящены развитию математического аппарата для описания структуры и свойств координационных полимеров, а также его использования для полной систематизации топологических типов, поиска корреляций «химический состав—структура—свойство», разработки баз знаний и систем интеллектуального дизайна МОКП. Группа очень сильная, результатами их работы пользуются ученые всего мира.
ВЫПУСТИТЬ ИНЖЕНЕРА
— На дворе сентябрь, поэтому предлагаю поговорить об образовании. Знаю, что у вас были замечательные учителя, а теперь вы сами стали учителем для многих молодых химиков. Где вы сейчас преподаете?
— Уже почти двадцать лет я работаю с высшим химическим колледжем Академии наук, существующим при РХТУ им. Д. И. Менделеева. Многие сотрудники в моей группе оттуда пришли. Параллельно мы всегда работали в МГУ, оттуда мы тоже черпаем источник нашей талантливой молодежи. С прошлого года я работаю заместителем декана факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ, а с 1 сентября нынешнего года стала его деканом. Надеюсь, мне пригодится предыдущий опыт.
— Каким образом?
— Академик Олег Матвеевич Нефедов с коллегами в начале 1990-х, в трудные для науки времена, создал проект по аналогии с London Imperial College, где молодые люди с первого курса большую часть своей жизни проводят в лабораториях академических институтов, изучая химию на ее современных примерах. Практические занятия там всегда были не менее важны, чем лекции. Оканчивая вуз, ребята уже имеют представление, что такое современная наука. Очень многие из них втягиваются в процесс, осознают, что химия — это их жизнь, и остаются в этих институтах. Мои сотрудники — мои бывшие студенты защищают кандидатские и докторские диссертации. Это отличный опыт подготовки мотивированных, высококлассных специалистов.
На факультете фундаментальной физико-химической инженерии система похожая. В свое время этот факультет был филиалом МГУ в Черноголовке. Организовали его академики Юрий Андреевич Осипьян и Александр Евгеньевич Шилов, потом многие годы его возглавлял Сергей Михайлович Алдошин. Фактически это была подготовка ребят для работы в Академгородке, когда они с первого курса погружались в практическую науку.
В прошлом году было принято решение расширить количество институтов физико-химического профиля, с которыми факультет сотрудничает. Мы ставим перед собой задачу модернизировать систему образования, чтобы она была, с одной стороны, академической, а с другой — чтобы студенты получали инженерные навыки и знания. Инженерных кадров с большим прикладным опытом сейчас остро не хватает. Есть пропасть между людьми, делающими фундаментальную науку, и теми, кто работает в индустрии. Между ними нужно наводить мосты.
НАУЧИТЬ УЧИТЕЛЕЙ
Академик Юлия Горбунова: «Все, что нас окружает,— это химия. Абсолютно все продукты, полезные и не очень, витамины, которые мы покупаем в аптеках,— химия. Даже любовь — химия, потому что наши чувства — это не что иное, как химические реакции в мозгу»
— Давайте поговорим о школьном химическом образовании. Есть замечательные учителя, но их мало. Помню, как я ненавидела химию и считала ее скучнейшим предметом, пока у нас не сменилась учительница и я не стала понимать, что ничего интереснее химии быть не может. Что вы об этом думаете?
— Уровень школьного химического образования в целом удручает. Меня пугает и то, что химию пытаются вывести из школы, считая чем-то не очень важным. Недавно я разговаривала с друзьями, у которых дочка учится в десятом классе. В девятом классе у них химии не было, потому что не было учителя, а сейчас нет, потому что класс гуманитарный. В нашем обществе существует проблема хемофобии, когда маркетинговые уловки вводят людей в заблуждение. Нужно есть продукты натуральные, «без химии», лекарства — это «химия», и само слово «нахимичить» в русском языке означает сделать что-то плохое. Это, конечно, неправильно и несправедливо.
— Понимаю, что химию в школе отменять нельзя даже для гуманитариев. Но как ее нужно преподавать, чтобы детям было интересно?
— Не надо плясать от сложных формул — надо рассказать, из чего состоит живой мир, молекулярные облака в космосе, мы с вами. Нужны элементарные примеры из жизни, чтобы дети понимали: все, что нас окружает,— это химия. Абсолютно все продукты, полезные и не очень, витамины, которые мы покупаем в аптеках — химия. Даже любовь — химия, потому что наши чувства — это не что иное, как химические реакции в мозгу. Понимание этого факта может помочь управлять своими эмоциями, не поддаваться гневу, контролировать эмоции, быть критичным к происходящему вокруг и не давать собой манипулировать. Поэтому базовая химия важна абсолютно для всех. А уж если юноша или девушка увлеклись химией не на шутку, можно углубляться в предмет, вводить факультативы или поступать в профильные классы.
— Но ведь сейчас действуют программы «Ученые — детям», когда настоящие ученые приходят в школу, читают свои лекции всем интересующимся и делают это живо и не скучно.
— Это правда. Есть даже программа «Кружок с академиком». К нам в институт часто приходят школьники, им показывают и рассказывают, что такое современная химия.
Безусловно, очень важно уделять внимание не только детям, но и учителям. Тут хотелось бы вспомнить академика Валерия Васильевича Лунина, бывшего декана химфака МГУ, который недавно ушел из жизни. Он очень большое внимание уделял работе с учителями. Химфак МГУ ежегодно собирает съезды учителей, а это тысячи людей со всей страны, которые с удовольствием едут послушать ученых и одновременно обсудить вопросы школьного образования. Учителей сейчас так загружает ненужной бюрократической работой, что они часто не успевают чему-то учиться, в то время как они часто просят помогать им в повышении квалификации.
— Как им можно в этом помочь?
— Уже много лет в Троицке проходит школа учителей физики, которую проводит член-корреспондент Андрей Витальевич Наумов, а с прошлого года мы начали проводить такие академические школы для учителей химии. Есть и еще одно радостное для нас событие — в этом году наконец-то законодательно одобрена и создана Ассоциация учителей и преподавателей химии. Я вхожу в президиум этой ассоциации, ее задача — помогать учителям химии делать этот предмет интересным, объяснять, что сегодня, за что ни возьмись, повсюду химия. Новые строительные материалы, гаджеты, энергетика, безопасность, лекарства — это химия. Химия — это жизнь, а жизнь — это химия. Если детям рассказывать вот так, то они поймут, что, кем бы они ни стали, им это пригодится. Даже когда женщина готовит на кухне, ей тоже не будут лишними знания о химических реакциях, чтобы не получить что-то совсем неожиданное.
Скажем, почему нужно гасить соду уксусом и добавлять эту смесь в тесто? При этом происходит химическая реакция и выделяется углекислый газ, который, попадая в тесто, создает «дырочки», делая тесто пышным.
ИЗМЕНИТЬ МИР
— Чем вас в свое время заинтересовала химия?
— У меня была очень хорошая учительница, и мне эта наука сразу показалась интересной, логичной, интригующей. Тогда в школе было много увлекательной экспериментальной работы. Все эти яркие цветные реакции возбуждали фантазию. Мне хотелось стать криминалистом, разгадывать загадки, участвовать в чем-то очень увлекательном и важном.
Я не стала криминалистом, а стала химиком-материаловедом, синтетиком, но все равно это настолько здорово, что я никогда о своем выборе не жалела. Ты создаешь что-то новое — какой-то новый материал, который если не сегодня, так завтра, может быть, изменит мир.
Вообще, в науке не бывает положительных или отрицательных результатов. Любой результат вносит свой вклад в цепочку исследований, которые рано или поздно выдадут новую технологию, устройство или лекарство, что было бы невозможно без химии. Постоянный драйв, что ты все время что-то создаешь, своими руками и мозгами, влияя на ход окружающих событий, это же прекрасно. А в процессе этого всегда есть какие-то сюрпризы.
— Например?
— Такое у нас было не раз. В прошлом году у нас вышла статья в ведущем химическом журнале мира, посвященная реакции, которой мы опровергли одну долго господствовавшую гипотезу. Ее считали верной больше ста лет. Считалось, что основное свойство фталоцианинов — это то, что они сохраняют при взаимодействии с разными веществами свою ароматичность, но если это свойство потерять, оно никогда не возвращается. А мы случайно обнаружили одну молекулу с катионом фосфора внутри, и она показала: есть молекулы, для которых можно нарушить ароматичность, изменить свойства и не потерять обратимость.
Или вот еще пример. Проект, по которому мы пытались сделать молекулярную машину на основе одного из наших порфиринов. И никак у нас не получалось его выделить в чистом виде. После двух с половиной лет работы выяснилось, что это соединение прекрасно генерирует синглетный кислород (это метастабильное состояние кислорода с более высокой энергией) и именно поэтому у нас не получается сделать то, что мы хотели.
— Почему так?
— Потому что синглетный кислород — очень сильный окислитель, и вещество, которое его генерирует, как бы самоубивается. Борщевик, кстати, работает по тому же принципу. Сок борщевика — это тоже фотосенсибилизатор. Если этот сок попадет на кожу, вы замотаете это место и уйдете в темное место, то никакого ожога не будет, а будет он только при взаимодействии с солнцем.
Так же и здесь — если это вещество, с которым мы работали, закрыть темной пленкой, то все можно прекрасно сделать. Как только оно попадает на видимый свет, оно начинает генерировать синглетный кислород и самоубивается. Из этой находки у нас родилось целое новое направление — мы стали делать новые антибактериальные вещества.
ВЫШИВАТЬ КРЕСТИКОМ
— В темноте?
— Нет, мы придумали, как эти вещества модернизировать, чтобы они при этом оставались более стабильными, но сам этот факт открылся нам абсолютно случайно, когда мы занимались другим проектом. Этим химия тоже интересна.
Я всегда говорю своей молодежи: если вы получаете ожидаемый результат, то это хорошо, а если получается неожиданный — прекрасно! У нас в институте работал академик Илья Иосифович Моисеев, и когда я была аспиранткой, он нас учил: «На переаттестации не говорите много. Скажите, какую задачу вы ставили, как ее решали и что вас удивило». Я запомнила это на всю жизнь, потому что это очень важно — найти что-то удивительное, пусть даже непонятное. Не надо торопиться сразу вылить это в раковину, попробуйте разобраться: а вдруг это что-то, чего еще никто не видел?
— Вы одна из самых молодых женщин-академиков в системе РАН, у вас огромное количество должностей и обязанностей, и даже об интервью с вами договориться непросто. Остается ли время на себя, на личную жизнь, на любовь?
— У любого человека, а тем более у женщины должно оставаться на все это время. И я тут совсем не исключение. Хотя вы правы — времени часто не хватает. Но это мой выбор. Мне интересно находиться в этой среде, заниматься наукой. При этом очень важно оставаться женщиной, любить, иметь близких людей, друзей, путешествовать.
— Ваши друзья все академики?
— Конечно, нет. Я обычный человек, у меня много друзей, в том числе университетских подруг. Мы с друзьями часто путешествуем вместе, проехали почти все бывшие республики СССР. Раньше ходили в походы на байдарках, а теперь выкраиваем по три-четыре дня и путешествуем по России. Так много красивых и исторически интересных мест в нашей стране! У меня тоже есть увлечения, например, я вышиваю крестиком, когда есть свободное время, чаще всего — в самолете, когда лечу на какую-нибудь конференцию или семинар. Люблю фотографировать и потом дарить друзьям фотоальбомы. Вообще, это очень важно — давать понять, что ученые — живые люди, такие же, как все.