Новые будущие технологии в лабораториях химиков

Новые будущие технологии в лабораториях химиков

Виктор Николаевич Хрусталев, доктор химических наук, профессор РАН, директор Объединенного института химических исследований РУДН, эксперт в области физико-химических исследований, возглавляет группу специалистов-химиков, работающих над созданием материалов нового типа. Алексей Николаевич Биляченко, кандидат химических наук, заместитель по науке директора Объединенного института химических исследований РУДН.

Расскажите о своем проекте, чем он интересен?

В Институте химических исследований мы занимаемся довольно перспективным проектом. Мы изучаем комплексы металлов в различных окружениях. Обрамление металлов, так называемые лиганды — очень важные компоненты, с их помощью можно варьировать свойства металлокомплекса. Это входит в классическую, определяющую триаду в химии «состав — структура — свойство». В проекте широко изучается катализ — явление, при котором определенное вещество, не вступая в реакцию, помогает ей произойти. Также мы исследуем люминесценцию и магнетизм комплексов металлов. Эти свойства, кроме интереса для фундаментальных исследований, имеют еще и большие прикладные возможности. Для реализации столь серьезного изыскания собрали коллектив специалистов, в который входят и профессора, и студенты.

В науке известно явление СH-активации, которое применяется для переработки различных углеводородов, например, компонентов нефти. В существующем сейчас классическом варианте переработки нефти в качестве основных методов используются крекинг и пиролиз. Для проведения этих процессов требуются высокие температура и давление, соответственно, дорогостоящее оборудование, выдерживающее подобные нагрузки. Для альтернативного подхода CH-активации используются соединения металлов. Оказывается, что в присутствии металлокомплексов процессы переработки углеводородов могут идти в гораздо более мягких условиях, даже при комнатной температуре. Таким образом, мы берем в качестве исходного реагента очень «ленивое» вещество, например, насыщенный углеводород, и можем перерабатывать его в спирты, кислоты, альдегиды. Так, из углеводородов достаточно легко получаются полезные продукты, используемые для производства полимеров, лекарств и многого другого. При этом снижаются экономические затраты на единицу продукции за счет экономии энергии, а также минимизируется и вредное воздействие на окружающую среду.

О важности этих исследований можно судить по следующему факту. Международное рейтинговое агентство Thomson Reuters (в рамках программы Thomson Reuters Clarivate Citation Laureate) делает прогнозы — за какие направления и разработки, вероятнее всего, будет присуждена Нобелевская премия в ближайшие годы. И как раз в области химии CH-активация находится в шортлисте, то есть в числе главных претендентов. По оценке этого агентства, трое специ­алистов — американцы John Bercaw и Robert Bergman, а также российский ученый, профессор Георгий Борисович Шульпин из Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН вполне могут получить главную научную награду за наиболее существенный вклад в развитие СН-активации. Очень приятно, что в рамках проекта мы успешно сотрудни­чаем с группой профессора Шульпина и находимся на пике наиболее актуальных научных разработок.

К какому направлению в химии относятся ваши исследования?

Можно выделить сразу несколько направлений, в частности, элементоорганическое. Элементоорганика — это химия, выходящая за рамки классической органической химии, изучающая объекты со связью углерод-элемент. Таким элементом, например, может быть бор, фосфор, а также многие другие. Известно, что большое внимание специалистов привлекают соединения кремнийорганической природы. Такие вещества содержат атомы углерода и кремния, непосредственно связанные друг с другом. Это приводит к возникновению очень интересных свойств. В частности, материалы на основе кремнийорганических соединений могут работать в космосе, в Арктике, то есть там, где требуется противостоять очень низким или высоким температурам. Это можно проиллюстрировать на примере обычных смазочных материалов, которые загустевают при сильном охлаждении и, соответственно, все оборудование перестает работать. Так вот, кремнийорганические смазки практически не подвержены влиянию температур, что обеспечивает их работоспособность в экстремальных условиях. Кроме этого, кремнийорганику применяют в современной медицине, объекты из этого материала биосовместимы и не отторгаются человеческим организмом. Исключительно важно то, что кремний недорог; его источником может быть обычный песок. Такие ресурсы очень привлекательны в экономическом плане. Многие страны с развитым научным потенциалом, например Япония, делают особый акцент на изучение кремнийорганической химии.

В нашем проекте развивается еще одно направление, когда кремнийорганические соединения используются в качестве лигандов — соединений, «укутывающих» ионы металлов с образованием необычных продуктов. Такая кремнийорганическая матрица позволяет получить трехмерные структуры с целым набором металлов. При этом взаимодействие металлов полезно как в контексте каталитических свойств, так и для проявления магнитных свойств. Получение магнитных материалов, кстати, тоже является важным современным направлением, так как проявляемые некоторыми металлокомплексами свойства означают возможность подойти к хранению информации на высокоемком уровне. Как только это свойство удастся «передать» на уровень материалов и устройств, это будет новый прорыв в технологиях, ведь таким образом достигается огромный выигрыш в плотности хранения информации по сравнению с современными возможностями.

В проекте, параллельно с кремнийорганическими соединениями, изучаются гораздо более редкие германийоргани­ческие. Привлекательным моментом таких соединений является существенное отличие германия от кремния, несмотря на то, что эти элементы соседи по группе в Периодической системе. Более ярко выраженный металлический характер германия позволяет рассчитывать на появление необычного поведения получаемых веществ.

Среди изучаемых классов соединений также можно выделить металлокомплексы с ярко выраженными фотофизическими свойствами. Такие вещества применимы для создания новых типов органических светодиодов (OLED), интересных для производства дисплеев нового поколения и других высокотехнологичных устройств. Стоит сказать, что кроме вышеупомянутого «элементоорганического» направления в проекте реализуется металлоорганическое, т.е. исследуются соединения с прямой связью металл-углерод. Такие соединения часто демонстрируют очень высокую каталитическую активность и другие важные свойства.

Есть ли у вас междисциплинарное сотрудничество со специалистами из других отраслей?

Конечно, например, в рамках проекта проводится много исследований на стыке химии и физики при изучении катализа, магнетизма, люминесценции. Большой цикл экспериментов связан с применением рентгеновского излучения (Х-ray) для изучения строения вещества. Установление точного строения носит ключевой характер для определения возможностей применения тех или иных материалов и их свойств. Это особенно важно, например, для описания магнитного и люминесцентного поведения. Мы в ближайшее время планируем подойти к исследованию веществ, проявляющих оба эти свойства одновременно.

Другой пример междисциплинарного взаимодействия — химия и математика. Для предсказания свойств будущих материалов широко используются расчетные возможности, квантовохимические методы. Они позволяют определить особенности реакций, механизмы превращений. Это дает возможность получить важную информацию о принципах химического поведения и сэкономить время и ресурсы на проведении большого набора экспериментов, сразу указывая оптимальные направления.

Наконец, на текущий момент развития проекта мы были больше сконцентрированы на изучении гомогенного катализа, но есть и интерес к катализу гетерогенному. Оба эти процесса отличаются сложностью протекающих процессов и используемых материалов. Это позволяет предположить в будущем также и активное взаимодействие с коллегами-материаловедами.

С какими из металлов вам больше всего нравится работать?

Вопрос непростой. В частности, интересные свойства металла-комплексообразователя демонстрирует медь. Сохраняя один и тот же тип металла, нам удалось получить целый ряд соединений самого разнообразного строения. В перспективе большой интерес представляют металлы-лантаноиды, например, гадолиний. У него очень ярко выражены свойства, актуальные для использования в медицине, при проведении МРТ. Он может успешно выступать в качестве маркера для определения заболевания. На следующем этапе развития нашего научного проекта мы планируем активно развивать это лантаноидное направление.

Привлекательным моментом научных исследований является то, что мы точно не знаем, что ждет за горизонтом. Ведь мы открываем новый тип материи, которой не было еще буквально вчера. Соответственно, возможности ее применения еще тоже не описаны, и это исследователям предстоит установить самим. Масштабы этих разработок поистине огромны. Каждый год химики открывают миллионы новых соединений, и с каждым годом их количество только растет. Поскольку при открытии новой материи могут появляться новые свойства, перспективы этих научных работ даже сложно себе представить. Можно пойти даже дальше, чем сделала природа, ведь в лаборатории можно синтезировать любые аналоги природных соединений, а также то, чего в природе не существует. Это очень увлекательный процесс.

Экспертный комментарий: «Проект, заявленный профессором Хрусталевым выглядит многообещающим. Руководитель исследований и большая часть команды имеют хороший опыт в разработке этой темы, у них много публикаций в международных изданиях высокого уровня, таких как Angew. Chem., J.Am.Chem.Soc. и другие. Профессор Виктор Николаевич Хрусталев — известный специалист в области неорганической и супермолекулярной химии. Я действительно очень впечатлен работами, опубликованными в 2017 году, Виктора Николаевича можно отнести в первую плеяду мировых ученых».

Косимо Дамиано Альтомаре, (Cosimo Damiano Altomare) профессор Университета Бари (Италия)