2011 год объявлен Международным годом химии. По этому поводу в Доме учёных СО РАН прошла пресс-конференция директоров химических институтов Отделения.
Весь спектр исследований
Председатель Объединённого учёного совета по химическим наукам СО РАН, директор Института катализа им. Г. К. Борескова академик В. Н. Пармон кратко охарактеризовал деятельность сибирских химических институтов.
— В своё время Валентин Афанасьевич Коптюг попытался поделить химические институты на кластеры по направлению их деятельности. Основной кластер — это те институты, чья научная деятельность поддерживает сибирскую химическую промышленность. В их задачу входит научное сопровождение переработки добываемого в Сибири сырья, обеспечение важнейших потребностей государства. В частности, с помощью химиков (как в академических институтах, так и на кафедрах вузов) был развёрнут наш ядерный и ракетный потенциал. Химические институты СО РАН интенсивно занимаются не только теоретическими научными проблемами, но и прикладными, связанными с нашей повседневной жизнью.
Среди химических институтов Сибирского отделения самым крупным (и вообще одним из крупнейших в Российской академии наук) является Институт катализа, имеющий два филиала и общую численность сотрудников около 1000 чел. Деятельность ИК в значительной степени ориентирована на проблемы переработки углеводородного сырья и общие проблемы химической промышленности — так же как и на решение фундаментальных задач.
Институт химии твёрдого тела и механохимии, самый первый из химических институтов СО РАН, был основан в 1944 г. В прикладной сфере основная его проблематика связана с переработкой нерудного сырья, что имеет отношение к минеральным удобрениям и строительной химии, а также к фармацевтике.
Институт неорганической химии — один из тех, кто помогал создавать ядерный потенциал страны. В настоящий момент поле их исследований — химия благородных металлов, химия очень сложных современных соединений.
Институт химической кинетики и горения в своё время отделился от всемирно известного Института химической физики им. Н. Н. Семёнова, единственного советского и российского Нобелевского лауреата в области химии. Из общедоступной проблематики можно назвать проблему аэрозолей, диагностику фундаментальной направленности.
Новосибирский институт органической химии и Иркутский институт химии были созданы в 1958 году специальным постановлением КПСС и правительства Советского Союза с целью повышения уровня сопровождения химической промышленности в Сибири, прежде всего, химии полимеров. В настоящее время они занимаются органическим синтезом, синтезом лекарств, активно работают с биологически активными веществами и природными соединениями.
Ещё один не очень крупный, но чрезвычайно важный, наиболее фундаментально ориентированный академический институт — Международный томографический центр. Его основная задача — освоение новейших физических методов исследования, позволяющих ставить точные диагнозы, используя неинвазивную диагностику — такую, которая позволяет заглянуть внутрь организма, не травмируя человека. Работы МТЦ находятся на самом передовом уровне. В то же время исследователи этого института применяют названные методы для исследования химических процессов, причём не только в биологических, но и в чисто химических объектах. Разрабатываются в МТЦ и новые материалы типа молекулярных магнитов (например, в виде прозрачных полимеров). Считается, что будущее компьютерной техники в значительной степени может быть связано с подобными материалами.
Институт проблем переработки углеводородов в Омске — единственный сохранившийся в России институт, который целенаправленно занимается только проблемами нефтепереработки (совместно с Институтом катализа).
Небольшой Институт химии нефти в Томске изучает историю происхождения нефти, анализ химического состава нефтей, благодаря чему учёные могут давать прогнозы, где может быть использована нефть из того или иного месторождения. Кроме того, в этом институте проводится уникальная работа по улучшению нефтедобычи.
Деятельность небольшого института в Томске, называемого из-за своих скромных масштабов Отделом структурной макрокинетики, направлена на фундаментальные и прикладные исследования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В основе этого метода лежат экзотермические реакции взаимодействия реагентов: металлов с металлами, металлов с неметаллами, неметаллов с неметаллами, а также участие в качестве исходных компонентов различных соединений.
В Красноярске расположен крупный Институт химии и химической технологии, основная деятельность которого содержит два компонента: один связан с переработкой рудного сырья и извлечением из него ценных элементов, а другой — с переработкой природного сырья (биомасс, доступных углей).
В сферу научных интересов Института проблем химико-энергетических технологий в Бийске входит химия особых энергетически насыщенных веществ, имеющих значение для оборонной промышленности.
И совсем недавно появился Институт углехимии и химического материаловедения в Кемерово. Переработка углей — это одна из наиболее насущных задач не только для Сибири, но и для России в целом. Если в переработке нефти наука достигла значительных результатов, то в глубокой переработке угля, а не просто в его сжигании, существует масса проблем.
Подводя итог своему обзору, ак. В. Н. Пармон подчеркнул, что и на основании сопоставительного анализа уровня учёных-химиков по публикациям выясняется, что у сибирских химиков он даже в среднем существенно выше, чем у коллег из Центральной России. И если в фундаментальных направлениях демонстрируется просто очень хороший уровень, то в том, что касается прикладных исследований сибирские химики, «к сожалению, для всей остальной страны», как сказал Валентин Николаевич, вне конкуренции.
Прямая польза от науки
Академическую науку часто обвиняют в том, что учёные занимаются сухой теорией, никак не помогая «древу жизни пышно зеленеть». Но уже из обзора В. Н. Пармона ясно, что химические институты СО РАН много и плодотворно занимаются прикладными исследованиями.
Так, на вопрос о том, не являются ли технологии завода по производству мощных литий-ионных аккумуляторов, который собираются открывать в Новосибирске китайцы, конкуренцией для отечественных технологий, разработанных в ИХТТМ СО РАН, директор института чл.-корр. Н. З. Ляхов ответил, что китайцы не конкуренты, а союзники, как и было задумано.
— Из Китая ввозится действующий завод, — сказал он, — который будет поставлен на территории совместного предприятия РОСНАНО и китайской компании Thunder Sky Group Limited (ЛИОТЕХ). Один из инвесторов проекта — Сбербанк. ЛИОТЕХ — проектная компания, и всё, что здесь будет производиться — её собственность. В изначальном меморандуме, который проходил через РОСНАНО, было прописано, что все продукты, из которых изготавливаются аккумуляторы — пластиковые ёмкости, медная и алюминиевая фольга, катодная и анодная массы, электролит — к 2014 году должны претерпеть полное импортозамещение. Поэтому следующий завод, производящий катодную массу, будет строиться рядом с Новосибирским заводом химконцентратов. Электролит же будет производиться в Ангарске, т.к. Иркутский институт химии имеет разработки по присадкам для аккумуляторов, увеличивающим срок и стабильность работы последних.
Разработки, имеющие самое прямое отношение к повседневной жизни, есть и в Институте катализа. Эти разработки дают значительную экономическую отдачу. По словам ак. В. Н. Пармона, ИК вместе с Институтом проблем переработки углеводородов за последние несколько лет поставил ряд катализаторов для нефтеперерабатывающей промышленности. Только за три года, пока шёл этот проект, было получено в 17 раз больше (по стоимости) дополнительной продукции, чем было затрачено бюджетных денег. В сумме за эти три года дополнительной продукции было произведено на 8 млрд руб., и сейчас разработки продолжают использоваться.
— Когда в Томске в 2006 году была открыта В. В. Путиным первая в России Особая экономическая зона, это произошло именно на линии по производству сверхвысокомолекулярного полиэтилена, которая была собрана на основе разработки Института катализа, — сказал Валентин Николаевич. — Кроме того, до позапрошлого года российская промышленность не могла производить дизельное топливо по стандартам Евро-4 и Евро-5 с использованием собственных катализаторов. В ИК такие катализаторы получили за полгода. Затем полтора года ушло на сертификацию и внедрение.
Открытия химиков могут послужить и для поиска и добычи полезных ископаемых. Например, директор Института неорганической химии д.х.н. В. П. Федин рассказал о перспективах развития энергетики и вкладе в неё своего института. Человечество стоит перед необходимостью искать новые источники энергии: ведь запасы нефти не безграничны. Россия богата природным газом, но главный ресурс, который предстоит осваивать — так называемые газовые гидраты, большая часть которых находится в акватории мирового океана. Запасы их в десятки раз превосходят запасы известных углеводородов. В ИНХ идут поиски способов получения газа из газовых гидратов, и хотя пока это не самая актуальная проблема для России, в ближайшие 50 лет она встанет перед всем человечеством.
Директор Института химической кинетики и горения д.ф.-м.н. С. А. Дзюба привёл в качестве примера известный метод магнитно-резонансной томографии, который был модифицирован для применения не к человеку, а к земной поверхности — так называемый бесскважинный поиск подземных вод. При магнитно-резонансном зондировании регистрируется сигнал непосредственно от протонов воды в водоносных горизонтах. Это позволяет оценить запасы подземных вод и решить, стоит ли бурить скважину в данном месте, что значительно сокращает расходы на разведку. Ранее такие работы были очень востребованы, а сейчас специалисты института каждый год ездят в Испанию — искать протечки под плотинами. К сожалению, это изобретение в свое время не было запатентовано и стало, так сказать, «достоянием человечества» без каких-либо материальных бонусов для института.
Разработан в ИХКиГ и такой прибор как спектрометр аэрозолей. Воздух, которым мы дышим, представляет собой очень тонкую аэрозольную взвесь. Анализировать размеры частиц, состав аэрозолей можно с помощью этого прибора, и такое оборудование очень востребовано.
Но не только на земле и для земных дел применяются открытия и технологии химических институтов.
В. П. Федин рассказал о том, что для исследования так называемой «тёмной материи» физиками проводятся уникальные эксперименты, в которых используются изотоп-чистые кристаллы кадмия, выращиваемые в ИНХ.
В. Н. Пармон с гордостью отметил, что материалы, разработанные в ИК, применяются на европейских спутниках. В космической промышленности используется «твёрдый воздух», иначе называемый аэрогелем, причём ИК — единственный его производитель в России. МКС в системах жизнеобеспечения имеет углеродные сорбенты, полученные из соединений, произведенных специалистами в Волгоградском филиале ИК.
Всё для блага человека
Немало сделали сибирские учёные-химики и для медицины. По словам В. П. Федина, в ИНХ создано и функционирует опытное производство сцинтилляционных кристаллов, которые экспортируются только в развитые страны. Компания General Electrics Healthcare использует эти кристаллы при изготовлении томографов, позволяющих провести диагностику рака на очень ранних стадиях.
Н. З. Ляхов сообщил, что в ИХТТиМ собираются начать производство висмутовых препаратов для лечения язвенных болезней, которые должны превзойти по лечебному эффекту известные импортные аналоги:
— Мы сейчас проходим стадию получения всех разрешений. Это сложнее, чем получить само лекарство. Вещество мы можем изготовлять в институте, но нужны сертификаты, чтобы пустить его в таблетки. Это стоит денег, отнимает много времени и делается только в Москве.
Николай Захарович также напомнил об искусственном заменителе крови, по которому ведутся работы в институте и который, возможно, через год появится на отечественном рынке медицинских препаратов. А из наиболее передовых разработок можно упомянуть специальную керамику для репарации костных нарушений в организме человека, прежде всего для замены суставов. Сейчас, например, операция по замене позвоночного диска стоит 20 тыс. долларов, и цена определяется не столько стоимостью материалов, сколько узостью предложения. Имплантанты импортируются преимущественно из Израиля и Франции, а если в России появятся собственные керамические имплантанты, то количество операций может возрасти в 2–4 раза.
На вопрос, может ли быть керамика для протеза пластичной или гибкой, Н.З. ответил, что нанотехнологии направлены на то, чтобы получить такую керамику, которая бы под большим давлением могла изгибаться, не ломаясь. С другой стороны, напомнил он, кость тоже хрупкая и тоже может сломаться. Задача состоит в том, чтобы немного превзойти естественные свойства кости, которая может служить человеку всю его жизнь, если не будет травмирована. Обещают ещё одно положительное свойство керамических протезов: их высокую совместимость с тканями человеческого организма. Титановые протезы приходится заменять через определённое количество лет, т.к. возникают проблемы именно на границе с тканью. А керамический протез, как показали эксперименты на животных, врастает в живую ткань, как живая кость.
Замдиректора по науке НИОХ СО РАН д.х.н. А. Я. Тихонов рассказал о судьбе антигерпесного препарата «Силур», который так и остался на стадии клинических испытаний из-за бюрократических нестыковок, и подчеркнул, что одно из самых перспективных направлений в деятельности института в настоящее время — это применение в медицинских исследованиях стабильных радикалов. Препараты, которые содержат такие радикалы, распределяются по организму человека, а затем с помощью ЭПР-томографии, видя распределение радикалов, можно наблюдать, какой эффект оказывает препарат.
Фундаментальные задачи
Несмотря на то, что учёные-химики решают немалое количество практических задач, фундаментальные исследования тоже ведутся самым активным образом, поскольку без фундаментальной науки прикладные разработки не существуют. Директора институтов рассказали о самых актуальных работах в своих областях.
В НИОХ основное направление исследований задаётся тонким органическим синтезом, а также ведутся работы по выделению чистых соединений из природного сырья. А. Я. Тихонов, говоривший об этом, посетовал на разрушение межнаучных и межведомственных связей, заметив, что представляемый им институт имеет единственную за Уралом лабораторию, которая может провести испытания новых органических соединений.
В. Н. Пармон напомнил о том, что катализаторы — своего рода «волшебная палочка» для химиков. Одна из важнейших задач — выяснить, при каких условиях эта волшебная палочка запускает химическую реакцию и каков будет характер этой реакции. Свойства катализатора, как оказалось, в значительной степени зависят от размеров частиц. Все катализаторы по сути являются наноматериалами, т.е. веществами с очень малым размером частиц. Зависимость эта неоднородна — максимум приходится на размер частицы в 3 нанометра.
Кроме того, продолжает быть актуальной задача управления скоростью реакции. Основные идеи были высказаны уже много лет назад. В частности, этим вопросом занимался ак. Г. К. Боресков. Но вот почему катализатор направляет реакцию именно в нужную сторону, т.е. селективность каталитического действия, не ясно до сих пор.
Н. З. Ляхов напомнил о возможностях механохимии и о том, что одной из важнейших задач ИХТТиМ является понимание природы чрезвычайно полезного феномена — механокомпозитов. Измельчение вещества позволяет находить в нём новые возможности, такие вещества иначе вступают в реакцию. Например, увеличивается в десятки раз скорость горения. Скорость растворения очень трудно растворимых лекарств также повышается. Поэтому решение этих фундаментальных вопросов, на которые пока существуют только общие ответы, позволит решить немалое число практических задач.
В. П. Федин рассказал о фундаментальных исследованиях, проводящихся в ИНХ. Так, например, в лаборатории проф. В. Е. Фёдорова предложили другой способ получения графена, отличный от того, который применили К. Новосёлов и А. Гейм. Так называемый терморасширенный графит помещается в среду органических растворителей и при некоторых воздействиях получается суспензия слоёв графена, которая может храниться в растворителе бесконечно долго. Эта работа проводится совместно с фирмой «Самсунг».
Упомянуто было также и открытие люминесцентных свойств кластеров рения. Кластеры — это соединения, содержащие несколько атомов металла. Удалось установить, что, например, кластеры, содержащие 6 атомов рения в одной молекуле, поглощают свет с определённой длиной волны, а испускают излучение с волной другой длины, подходящей для фотодинамической терапии рака.
— Сейчас химики, как дети, увлечены супрамолекулярной химией, — сказал Владимир Петрович. — Она напоминает детский конструктор, из которого можно собрать железную дорогу, а по ней будет двигаться поезд из молекулярных образований. Мне бы хотелось, чтобы в нашем институте развивались такие исследования — тогда мы могли хотя бы на уровне модельных систем собирать новые молекулярные образования и учиться управлять их движением. Не знаю пока, как это можно применить, но это красиво.
С. А. Дзюба (ИХКиГ) вспомнил о физико-химическом методе двойного электрон-электронного резонанса, открытого ещё в 80-е годы прошлого века, но долгое время бывшего невостребованным, как часто случается с открытиями, опередившими своё время. Он позволяет изучать наноструктуру вещества там, где другие методы просто не работают. Сейчас, когда появился интерес к нанообъектам, особенно в биологии, метод стал очень популярным, используется во многих зарубежных лабораториях с признанием приоритета сибирских учёных и носит рабочее название «метод сибирских химиков».
Разработки химиков и новые технологии, как отметил Н. З. Ляхов, требуют заказчика. Учёные делают многое, но внедрение их открытий и изобретений — это вопрос не науки.
При повышении финансирования научных исследований со стороны государства, при наличии госконтрактов, при востребованности технологий (например, для улучшения экологической обстановки) денег на внедрение государство не отпускает. Есть бюрократические и финансовые трудности при проведении клинических испытаний новых лекарственных препаратов и доведении их до производства. Таким образом, в том, что результаты деятельности учёных не находят практического применения, их вины нет. Это вопрос государственной политики.
Однако не всё так пессимистично. В. Н. Пармон сообщил, что ИК очень разборчиво подходит к зарубежным заказам. Денег в России, по мнению академика, много, научных задач, которые необходимо решать, тоже много, а специалистов осталось очень мало, поэтому в своей деятельности институты должны ориентироваться на внутрироссийские проблемы.
М. Горынцева, «НВС». Фото В. Новикова