Интервью академика С.М.Алдошина: :Высокий уровень фундаментальных химических исследований в России

2011 год по решению 63-й сессии Генеральной ассамблеи ООН объявлен Международным годом химии, который пройдет под девизом «Химия – наша жизнь, наше будущее». Редакция попросила вице-президента РАН академика С.М.Алдошина рассказать о тех направлениях химической науки и промышленности, где мы приобрели и сохраняем лидерство.
- Эта инициатива особенно значима для нашей страны, не только потому, что химическая фундаментальная наука в России имеет великую историю и традиции: 2011 год – год 300-летия со дня рождения М. В. Ломоносова, с именем которого связано само развитие химии; не только потому, что это возможность привлечь внимание к проблемам отечественной науки, но и потому, что это повод на высоком уровне заявить о достижениях нашей химической науки и промышленности.
В первую очередь это создание новых функциональных материалов. По оценкам экспертов, в ближайшие 20 лет 90% существующих материалов будут заменены принципиально новыми. О перспективности этого направления свидетельствует тот факт, что почти пятая часть мировых патентов сегодня выдаются на изобретения в области материаловедения. В Российской академии наук работы по созданию новых функциональных материалов ведутся очень активно. В последние годы появились уникальные композиционные материалы на полимерной, металлической и неорганической (керамической) матрице, всевозможные стали и сплавы - в том числе для авиации и космоса. Они были созданы в тесной кооперации между институтами РАН и Государственными научными центрами, крупными промышленными предприятиями, чем и объясняется их высокое прикладное значение. Что касается создания материалов для авиации, то здесь ярким примером является плодотворное сотрудничество институтов РАН с "Всероссийским научно-исследовательским институтом авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ"), который возглавляет член Президиума РАН, президент Ассоциации государственных научных центров академик Е.Н.Каблов.
Именно ВИАМом и институтами РАН, например, были разработаны материалы для двигателей, на которых до сих пор летают американские ракеты "Атлас". Современные материалы способны выдерживать очень жесткие условия эксплуатации - от 2000K до криогенных температур. На основе совместных исследований удалось получить интересные титановые, никелиевые, алюмине-литиевые сплавы, допированные стали, которые обладают уникальными свойствами и используются для создания турбин, емкостей для жидкого кислорода, других целей.
Колоссальные перспективы для создания новых модификаций различных материалов открыла возможность их обогащения наночастицами – в частности, фуллеренами, углеродными одностенными, многостенными нанотрубками и др. В Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН академику О.А.Банных вместе с другими учеными-химиками удалось получить уникальные металлические композитные материалы с добавлением наночастиц углерода, обладающие высокой жаропрочностью, низкой плотностью, высокой трещиностойкостью, удивительными абразивными свойствами.
Активно идет создание новых и модифицированных композитов, незаменимых при создании оснастки современных летательных аппаратов (корпусы Аэробусов А300, А310, самолета "Сухой Суперджет-100", например, на 35% состоят из полимерных композиционных материалов, а¬ "Боинг 787" создан из них на 70%).
Оказалось, что полимерные композиционные материалы обладают такими же прочностными характеристиками, как и стали, но по многим параметрам превосходят их.
Исследования, проведенные, в частности, в Институте проблем химической физики РАН, показали, что введение функционализированных наночастиц даже в ультрамалых концентрациях способно принципиально изменить характеристики композитов. Модификация полимерных связующих путем введения даже около 0,001% одностенных углеродных нанотрубок или 1% многостенных нанотрубок существенным образом повышает их прочность и эластичность.
Очень интересны в этом смысле исследования, которые осуществляет Институт синтетических полимерных материалов под руководством члена-корреспондента РАН А.Н.Озерина. Например, обнаружено, что принципиально изменить свойства полимеров способны и добавки наночастиц углерода в алмазной модификации, образующиеся при взрывах.
Сейчас важными задачами фундаментальной науки является как поиск наночастиц, способных модифицировать различные материалы, их оптимальных концентраций, так и объяснение самой причины такого влияния на структуру материалов.
Что касается проблем, с которыми ученые столкнулись при наполнении композитов наночастицами, то наиболее серьезной является смешение полимерной матрицы с нанонаполнителями. Наночастицы имеют тенденцию к «слипанию», созданию конгломератов, поэтому матрицу очень трудно сделать гомогенной. Российские химики в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН предложили, так называемый, метод смешения в срыве ламинарного течения. При размешивании расплава полимерной матрицы образуются ламинарные потоки, при определенных условиях можно организовать сбой ламинарного течения - так образуются турбуленции, кавитации за счет сдвиговой деформации, что и приводит к равномерному смешиванию наночастиц в полимерной матрице.
Сегодня удалось создать, по крайней мере, три поколения "умных" композитных материалов. Это материалы "с памятью", которые могут восстанавливать свои свойства; интеллектуальные материалы, которые не только обладают памятью, но анализируют себя, самопроизвольно "залечивая" трещины и другие повреждения, возникающие в ходе эксплуатации; разноструктурные механо-полимерные интеллектуальные материалы, содержащие жесткие элементы и подвижные соединения, и фактически воспроизводящие работу человеческих органов - рук и ног.
Названные направления материаловедения в России являются сильными и устойчивыми. Неслучайно, создание новых полимерных композиционных материалов и технологий, а также новых материалов и технологий металлургии легло в основу проектов технологических платформ, которые сейчас предложены для утверждения Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям.
Мы также занимаем очень серьезные позиции в области создания технологий глубокой переработки углеводородного сырья. Известно, что добиться глубины переработки нефти свыше 90% очень сложно. В среднем, глубина переработки нефти в РФ составляет около 70%, тогда как, например, в США — 92–93%. Тяжелая часть нефтей составляет гигантский дополнительный ресурс для производства моторных топлив и сырья для нефтехимии. Его необходимо использовать, однако, на сегодняшний день в России практически отсутствуют современные, промышленно реализованные процессы его переработки.
Технологии с использованием нанокатализаторов, которые созданы институтами РАН, прежде всего, в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, позволяют увеличить глубину переработки до 92-95%. Сейчас мы предлагаем нефтеперерабатывающим компаниям модернизировать свое производство на основе этих технологий. Ряд компаний уже заинтересовались ими, например, «Роснефть», с которой не так давно мы подписали соглашение о сотрудничестве. Хороший контакт налажен с компаниями Республики Татарстан при поддержке Президента Р.Н.Минниханова. Для более эффективной организации взаимодействия науки и бизнеса по этой проблеме подготовлен проект технологической платформы "Глубокая переработка углеводородных ресурсов", который также вошел в перечень российских ТП для утверждения Правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям.
Сегодня, в процессе реализации технологий переработки углеводородных ресурсов, Российская академия наук столкнулась с серьезным препятствием: мы не можем показать будущему заказчику полупромышленные работающие установки. Раньше созданием "пилотных" образцов и технологий, внедряемых затем на промышленных предприятиях, занималась отраслевая прикладная наука, но в условиях перехода к рынку это звено инновационной цепочки было утеряно. Поэтому сегодня мы постоянно ставим вопрос о создании инжиниринговых центров, которые могли бы разработать документацию, просчитать экономику, выдать исходные данные для базового и рабочего проекта и создать полупромышленную установку. Открывать такие центры на базе академических институтов возможно только при наличии подготовленной технологической площадки, какие, например, есть в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, Институте проблем химической физики РАН, Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. Существуют и другие академические институты, которые имеют необходимые условия и кадровый потенциал, для развертывания на своей базе таких инжиниринговых центров. Созданию мощного инжинирингового центра способствует и существующая кооперация между РАН и ОАО «ВНИПИнефть».
Инжиниринговые центры могли бы также решить проблему создания отечественных катализаторов. Дело в том, что любую технологию, которую нам продают с Запада, мы получаем "с обременением": мы можем использовать только сертифицированные катализаторы поставщика, его оборудование, пользоваться только его сервисным обслуживанием. Создание катализаторной фабрики, например, на базе Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН было бы чрезвычайно важным для производства отечественных катализаторов. По вопросу глубокой переработки углеводородного сырья и создания таких инжиниринговых центров мы несколько раз обращались в Правительство РФ, ставили его на Совете по науке и высоким технологиям, на заседаниях Госдумы РФ, Совета Федерации РФ. Сейчас РАН вместе с ГК "РОСНАНО" создала Центр трансфера технологий, и одно из направлений, по которому Центр уже начал работать, это как раз проекты реализации технологий глубокой переработки углеводородного сырья. Мы очень рассчитываем, что нефтехимические и нефтеперерабатывающие компании выступят инвесторами создания "пилотных" установок, чтобы впоследствии можно было создать современное отечественное производство.
Есть другой аспект глубокой переработки углеводородного сырья - переработка попутных и природных газов. Данной проблемой занимается целый ряд академических институтов - это Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Институт проблем химической физики РАН и другие институты. В результате созданы, так называемые, GTL (gas to liquid) технологии, которые позволяют получить из газов сразу жидкие продукты - жидкие углеводороды и моторное топливо или олефины.
Такие разработки мы уже сейчас готовы продемонстрировать, предпринимаются и конкретные шаги для их внедрения. В настоящее время идут переговоры с "РОСНАНО" о создании мобильных установок по переработке попутных газов.
Научные работы в области переработки попутных и природных газов активно ведутся не только в России, но и во многих других странах, однако наши технологии являются более эффективными и дешевыми, поскольку основаны на самых современных знаниях. Здесь мы идем либо вровень с нашими западными партнерами, либо по ряду параметров их опережаем. Поэтому, когда нам предлагают объединить наши работы с западными компаниями, это справедливо вызывает опасения наших ученых. В такой схеме мы будем вынуждены раскрыть наши технологии, и послезавтра их просто перепатентуют. К слову замечу, что сегодня очень важно наладить патентование российских разработок! И хорошо, что сейчас в Академии наук появилась пусть небольшая, но значимая специальная программа, которая финансирует на конкурсной основе патентование наших разработок за рубежом.
Очень важные исследования сейчас ведутся институтами РАН в области создания биотоплива. Это активно обсуждаемая тема в мире, хотя до решения практических, экономически эффективных задач еще далеко. Тем не менее, получение моторных биотоплив - задача уже не завтрашнего, а сегодняшнего дня. Как известно, создано биотопливо уже третьего поколения - из быстрорастущих водорослей. Эти работы ведутся в Российской академии наук, в частности, академиком И.И. Моисеевым (Институт общей и неорганической химии им.Н.С.Курнакова РАН) и членом-корреспондентом С.Д.Варфоломеевым (Институт биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН). Организовать подобные производства возможно прямо вместе с теплостанциями, предусмотрев полный цикл использования энергии. Об этих технологиях докладывалось несколько раз на очень высоком уровне, в том числе и в Правительстве РФ.
Использование природных аминокислот для создания полимерных биосовместимых или биодеградируемых материалов - еще одно направление работ российских химиков. Аминокислоты становятся доступными мономерами из возобновляемого сырья, их цена приближается к цене мономеров из углеводорода. Принципиально важным является такое их свойство, как биодеградируемость. На основе полученных материалов разрабатываются магнито-управляемые ферментоподобные катализаторы, ионобменные мембраны, сорбенты для радионуклидов, полиамидные волокна, схожие по свойствам с природным шелком.
Российская химия сохраняет свои позиции и в энергетике, прежде всего, в области создания новых технологий для утилизации низкосортных топлив. Эти разработки ведутся, в частности, Институтом проблем химической физики РАН совместно с ФГУП «ММПП «САЛЮТ». Данные технологии позволяют перерабатывать торф, сланцы, шпалы, промышленный и бытовой мусор и за счет этого получать либо тепловую, либо электрическую энергию. Установка строится по модульному принципу, в зависимости от того, что нужно получить - тепло или электричество, модули меняются и проблема решается. На базе завода «Салют» такая пилотная установка уже построена, а на базе Института проблем химической физики РАН заканчивается создание укрупненной установки наклонного типа. Эту работу мы ведем вместе с компанией ООО «ЕВРОПРОФИЛЬ, и, возможно, в ближайшее время, вместе с «Российскими железными дорогами» мы запустим проект по переработке отработанных шпал, что является, как известно, большой экологической проблемой. По многих регионам, например, в Вологодской области, в Новгородской области, т.е. там, где много торфов, подобные установки модульного типа могли бы помочь в решении проблемы электрической энергии и отопления для деревень.
Скажу по поводу водородной энергетики – вокруг нее было много шума, который сейчас немного утихает. Сегодня очевидно, что водородная энергетика найдет свое применение в определенных направлениях, в том числе в авиации. Однако остается много нерешенных проблем в создании топливных элементов. Например, известная мембрана "Нафион" и другие сульфированные мембраны обладают рядом недостатков - для их работы должны быть созданы определенные условия, в том числе влажность. В наших институтах удалось разработать новые мембраны, которые обеспечивают работоспособность в очень широком диапазоне условий. Эти работы выполняются под руководством члена-корреспондента С.С.Иванчева, директора Санкт-Петербургского филиала Института катализа им. Г.К.Борескова СО РАН, в нашем институте - Институте проблем химической физики РАН, в МГУ под руководством академика А.Р. Хохлова и академика Ю.Д.Третьякова - декана факультета наук о материалах МГУ. Разработки по высокотемпературным топливным элементам осуществляются совместно институтами Отделения физики, Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН. Уже есть серьезные успехи, так что эти топливные элементы в ближайшее время найдут свое применение.
Как известно, в мировом автомобилестроении появилось много гибридных двигателей, позволяющих использовать бензин и электрическую энергию. Соответственно, возникла инженерная задача - как запасать энергию, которая вырабатывается в процессе движения автомобиля. Появилась идея разработать для этой цели суперконденсатор. Создание материалов для суперконденсатора - серьезная химическая проблема, и очень большие успехи в этой области достигнуты в Институте биохимической физики Н.М.Эмануэля РАН.
Значительно мы продвинулись в направлении совершенствования литиевых батарей. Эти работы, в частности, ведутся под руководством Ю.Д. Третьякова в МГУ и члена-корреспондента Е.А.Гудилина, а также доктора наук О.Н.Ефимова в Институте проблем химической физики РАН. Известно, что литиевые батареи очень эффективны, но нужно решить проблемы их безопасности и долговечности. Российские химики идут по пути создания, так называемых, воздушных литиевых аккумуляторов, когда используется просто воздух в качестве одного из рабочих элементов в системе. Над созданием электролитов в аккумуляторах активно работает Институт проблем химической физики РАН, в котором удалось создать новые безопасные полимерные материалы, с одной стороны обеспечивающие подвижность ионов, а с другой - препятствующие разрушению электродов.
Много вопросов вызывает органическая электроника. Придет ли она на смену аморфному и кристаллическому кремнию? Вопрос дискуссионный. Как говорят военные, «работа на отказ» у органики гораздо ниже, чем у кремниевых элементов - и это так. Эффективность кремниевых элементов сейчас достаточно высока. И если решить проблему с концентраторами, то эффективность кремниевых батарей можно существенно увеличить. В то же время, в химических институтах ведутся работы в области органической фотовальтаики - когда в качестве элементов, на основе которых строятся солнечные элементы и светоизлучающие диоды, используются органические соединения. Это композиционные соединения определенной конструкции - проводящие полимеры, и углеродные материалы типа модифицированных фуллеренов. Здесь надо признать очень высокий уровень развития отечественной синтетической химии.
Серьезные успехи наши синтетики добились в области молекулярной электроники – это технологии если не сегодняшнего, то завтрашнего дня. Логические схемы, элементы памяти интегральных схем, ЧИПы - начинают создавать из органических молекул.
Одним из центров, в котором создаются такие молекулы, является НИИ физической органической химии ЮФУ под руководством академика В.И.Минкина. С этим коллективом активно сотрудничают многие химических институты, в том числе Институт проблем химической физики РАН. Молекулы переходят из одного состояния в другое под воздействием внешних факторов - излучения, давления, температуры, и меняют свои свойства, что позволяет их использовать для создания различных логических схем в молекулярной электронике.
Впечатляют результаты, которые за последние годы достигнуты в теоретической химии, в частности, по расчету динамики химических превращений. Сейчас уже суперкомпьютеры межведомственного центра РАН, а также «Чебышев» и «Ломоносов» в МГУ позволяют проводить расчеты крупных молекул, таких как полимерные биомолекулы. Сочетание точных квантово-химических расчетов активных центров больших молекул с полуэмпирическими расчетами всей молекулы позволяет решить многие проблемы. В том числе, и проблемы взаимодействия лекарства с мишенями. Всё-таки, конструирование лекарственных препаратов невозможно без однозначного понимания механизма их действия. Одно из направлений – моделирование взаимодействия самого лекарственного вещества с мишенью, на основе чего строится поиск оптимальной структуры и затем осуществляется синтез соединений. Сейчас достигнуты очень серьезные успехи в этой области. Работы ведутся под руководством академика Н.С.Зефирова в МГУ, члена-корреспондента С.О.Бачурина в МГУ и в Институте физиологически активных соединений в Черноголовке.
Другой подход к созданию лекарственных препаратов основан на исследованиях тех химических и биологических процессов, которые проходят в человеческом организме. Приведу один пример. Есть такая маленькая молекула NO, которая состоит из двух атомов – кислорода и азота. Как выяснилось, она обладает уникальными функциями, являясь сигнальной молекулой в разнообразных физиологически и биохимических процессах. Избыток молекулы NO накапливается в активных центрах негемовых протеинов. Как устроен этот центр - никто не знал. Химикам Института проблем химической физики РАН, Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН и Института химической физики им. Н.Н.Семенова РАН удалось изучить структуру этого центра, а потом предложить новое направление создания лекарственных препаратов. Эти работы сейчас активно ведутся совместно с Центром академика Е.И.Чазова и Российским онкологическим научным центром им. Н.Н.Блохина РАМН.
Очень большую работу по созданию новых лекарственных препаратов ведут в Уральском отделении - академик В.Н.Чарушин, академик О.Н.Чупахин, в Сибирском отделении - академик Г.А.Толстиков, и другие.
К сожалению, мне удалось остановиться далеко не на всех приоритетных направлениях развития современной российской химии, есть еще целый ряд областей, где нам удалось добиться очень значимых результатов. Но перечисленные примеры подчеркивают, что в Российской академии наук активно ведутся и фундаментальные и прикладные исследования. В основе лучших отечественных разработок лежит глубокая фундаментальная наука, которая не заканчивается публикациями, а заканчивается созданием конкретных материалов и технологий для самых разных областей промышленности - от авиации и космоса до медицинских препаратов.