«КРЕМНИЕВАЯ» СТРАНА — НЕ ФАНТАСТИКА

Действию кремнезема принадлежит большое будущее.

Луи Пастер

Микроавтобус остановился на окраине Академического городка.
С одной стороны — жилой микрорайон, с другой — однотипные здания, среди которых Институт химии поверхности НАН Украины (ИХП) нам бы искать не пришлось. Не столько вывеска на фасаде, сколько эмблема приковывает к себе взгляд каждого, кто впервые посетит это научное учреждение. В ее основе — графическое изображение кристалла, в центре которого латинские буквы Si (силициум). Кто подзабыл школьный курс химии, напомним, что силициум — это кремний, второй по распространенности после кислорода элемент на земле.

В.Вернадский считал, что никакой живой организм не может существовать без кремния. Кремний образует ряд соединений, аналогичных соединениям углерода. Это сходство побудило писателей-фантастов к созданию произведений о «кремниевой» жизни.

Издавна народные целители, а затем и медики-профессионалы, высоко ценили лечебные свойства кремнезема. Он прочно вошел в гомеопатическую практику. Также давно замечено, что на песчаных почвах, где много кремнезема, лучше растут травы, выше урожаи окультуренных растений, к тому же они меньше подвержены болезням. Поэтому интерес химиков к этому материалу не случаен. Синтез кремнеземов с химически модифицированной поверхностью, создание на их основе веществ с заданными свойствами положили начало целому научному направлению в химии поверхности, а легкий белоснежный порошок под названием «Силикс» (Silics) можно считать сегодня визиткой института. И это далеко не единственное направление научных поисков сотрудников ИХП.

У истоков новой науки

Химия поверхности в Украине как наука неразрывно связана с именем академика А.Чуйко. Жажда к научному поиску у трудолюбивого целеустремленного парня из семьи кубанских землепашцев проявилась еще в студенческие годы. Его учителями были академики И.Францевич, В.Еременко, Ю.Делимарский, А.Киприанов, А.Бабко, А.Думанский, А.Пилипенко, Ф.Бабичев.

Однажды после посещения семинара академика Думанского, под воздействием незаурядной личности ученого и идей, которыми тот зажигал своих учеников, Алексей решительно поменял специализацию — с электрохимии перешел на коллоидную химию. Уже в студенческие годы, а затем во время учебы в аспирантуре работал над созданием гибридных органокремнеземных материалов, имеющих непреходящую практическую ценность. Интересный факт: выпускниками химфака 1958 года были три будущих академика НАН Украины (В.Скопенко, А.Чуйко, В.Походенко), свыше 30 докторов и кандидатов наук.

Работая в Институте физической химии им. Л.Писаржевского, А.Чуйко продолжает изучение процессов модифицирования кремнезема. Уже в первых опубликованных работах, посвященных исследованию поверхности дисперсных твердых тел и особенностям химических реакций в поверхностном слое, он предложил способы химического закрепления на поверхности кремнезема алкил-, олефино-, амино- и карбоксилсодержащих соединений в целях получения новых специфических адсорбентов и химически активных наполнителей полимеров. В начале семидесятых годов молодой ученый возглавил первый в Советском Союзе отдел химии поверхности, в котором развиваются систематические исследования химических процессов на поверхности высокодисперсных неорганических оксидов. За первую в СССР научно-технологическую разработку высокодисперсных кремнеземов с химически модифицированной поверхностью, организацию их производства и применение в качестве загустителей смазочных материалов для автомобильной промышленности А.Чуйко удостоен звания лауреата Государственной премии УССР в области науки и техники.

Был случай

Как-то А.Чуйко, будучи еще зав. отделом, пригласил президента Академии наук Украины Б.Патона посетить отдел химии поверхности Института физической химии. Очень хотелось, чтобы Борис Евгеньевич воочию убедился в перспективности нового научного направления физической химии — химии поверхности, которое бурно развивалось. Ведь, как известно, лучше раз увидеть... В среде ученых (и не только) знали, что Борис Евгеньевич не формально подходит к новым разработкам. Пообещал приехать. Минуя официальные условности, по его выражению, инкогнито.

И вот однажды после рабочего дня, когда институтские кабинеты опустели, Борис Евгеньевич открыл дверь тесной комнаты, до самого потолка заставленной образцами новых материалов и других разработок отдела химии поверхности. Не спеша, с нескрываемым интересом рассматривал, расспрашивал о возможностях их применения. Допоздна в тот вечер горел свет в институтском окне...

Сегодня, мысленно возвращаясь в годы своей научной молодости, Алексей Алексеевич вспоминает: «Новое, а тем более в науке, не появляется из ничего. Институт физической химии в то время был мощным научным учреждением, которое занималось многими крупными фундаментальными направлениями. И наиболее яркими были два отдела: проблем сорбции, возглавляемый профессором И.Неймарком, в который я пришел после университета, и отдел профессора Д.Стражеско, где занимались углеродистыми сорбентами. Это был период очень бурного развития науки об адсорбции, катализе, химии полимеров. В начале 60-х годов прежний термодинамический уровень познания поверхности, адсорбции, катализа и т. д. уже был недостаточным — потребовалось молекулярное представление о химии поверхности. Эта наука зародилась и развивалась в СССР в нескольких центрах, в частности в МГУ (покойный А.Киселев и его школа), в Ленинградском университете. И все-таки главным стал киевский центр — в Институте физической химии АН УССР».

Увлечение фундаментальными научными исследованиями у А.Чуйко всегда сочеталось с практикой. Ему было важно получить конкретный результат (материал, вещество), причем не просто конечный продукт, но и, если это действительно что-то принципиально новое и ценное, запустить его в производство. В начале восьмидесятых А.Чуйко возглавил созданное им при ИФХ отделение химии поверхности, в состав которого, помимо научных отделов, вошли специальное и отдельное конструкторско-технологические бюро с экспериментальными производствами, опытное производство, три опытно-экспериментальных завода. В частности, на одном из гигантов химической отрасли по инициативе ученого создан и успешно развивается Калушский опытно-экспериментальный завод, специализирующийся на выпуске модифицированных форм высокодисперсных твердых тел. Далеко не каждый институт мог похвалиться подобным экспериментально-производственным комплексом.

Существенно расширяется круг исследований. Кроме дисперсных оксидов металлов и смешанных оксидных систем, изучается ряд углеродных твердых тел, различающихся структурой и состоянием атомов в поверхностном слое. Разработаны эффективные методы компьютерного моделирования поверхности твердого тела, квантово-химического анализа строения структурных фрагментов адсорбционных комплексов и поверхностных соединений, изучения межфазных взаимодействий. Выяснены тонкие детали механизмов сложных многостадийных процессов химической сборки поверхностных соединений, экспериментально определено состояние промежуточных комплексов. По мнению специалистов, работами этого периода в сущности заложены теоретические основы современной нанохимии поверхности, что позволило впоследствии создавать уникальные материалы путем иммобилизации на неорганической матрице соединений различных классов. Свыше 200 созданных новых материалов нашли применение в разных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине, экологии. Например, в стенах института синтезирован дисперсный материал для исскуственного вызывания атмосферных осадков. В свое время в Украине была служба по градозащите сельхозугодий, виноградников и т. п. Прежде для этого использовались дорогие материалы (в частности, серебро), а киевские химики для укрощения градоопасных туч предложили совершенно безвредный криореагент на основе кремнезема. Ими созданы сорбенты для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды и почвы, особо тонкие и безопасные смазки для оборудования в пищевой промышленности, различные наполнители полимеров и композитов, теплоизоляционные волокнистые материалы, гидрофобизирующие и гидроизолирующие покрытия, системы для очистки питьевой воды, адсорбенты для очистки промышленных стоков, квантоворазмерные материалы для нано- и оптоэлектроники, систем записи информации визуализации рентгеновского излучения. И этот перечень можно продолжить. Особое место в нем отводится биомедицинским препаратам, обладающим уникальными свойствами. О них мы расскажем дальше.

Был случай

В начале семидесятых физхимики совместно с другими научными подразделениями страны изобрели смазку для техники. Она прошла успешную апробацию в тракторо- и машиностроении, в дизельных двигателях. Как оказалось, при ее применении износостойкость узлов механизмов увеличивалась в несколько раз. Испытания этой смазки в условиях агрессивной морской воды дали удивительные результаты: механизмы кораблей и через пять лет были как новенькие. В одном из приморских городов было налажено небольшое производство, которое в какой-то степени удовлетворяло потребности только морфлота. От управленческих структур в Академию наук поступило предложение: дайте заявку на финансирование. Подготовили как положено программу и направили ее в Госкомитет на науке и технике. В то время получить финансирование на сумму 50 тысяч рублей можно было только мечтать. Обычно выделялось тысяч десять-пятнадцать.

И вот из Москвы в Институт физической химии АН УССР приходит бумага. Так, мол, и так, под программу разработки смазки для техники можем выделить 1,5 миллиона рублей, только сократите сроки ее выполнения, поскольку в стране катастрофическое положение со смазочными материалами. Бывший зам. директора института вызывает к себе руководителя группы разработчиков А.Чуйко. «И как ты себе это представляешь? » — показывает письмо. «А что вас здесь смущает?» — удивленно спросил Алексей Алексеевич. «Да ведь весь институт получает 700 тысяч!» — покраснел от волнения зам. «Ну, если не нужно полтора миллиона, так не берите, но работа-то интересная...» — только и ответил Чуйко.

Больше вопрос о смазке в стенах ИФХ не поднимался. Интересно, а какова же судьба письма со столь заманчивым предложением? Скорее всего, на него последовал ответ руководства института в том духе, что академическое научное учреждение занимается фундаментальными научными проблемами и не может отвлекаться на подобные прикладные темы.

Чернобыльская
эпопея химиков

В книге «Історія Національної академії наук України в суспільно-політичному контексті. 1918 — 1998» (Київ, «Фенікс», 2000) в четырехстраничном разделе, повествующем о вкладе Академии наук в ликвидацию последствий катастрофы на ЧАЭС, чернобыльская эпопея небольшого коллектива Института химии поверхности отражена одним скупым абзацем: «У стислі строки вчені АН УРСР провели велику роботу по створенню нових засобів пригнічення, дезактивації, локалізації і запобігання повторного забруднення промислових і цивільних об’єктів, обладнань, техніки, території 30-кілометрової зони ЧАЕС і прилеглих до неї районів. Науковці Інституту хімії поверхні запропонували пилопригнічувальні речовини, якими було проведено обробку розвалу четвертого енергоблоку. Це забезпечило зниження концентрації активних аерозолів у повітрі навколо проммайданчика в 100—1000 разів. Гідрофобілізуючими сполуками було проведено обробку вертикальних поверхонь споруд ЧАЕС і міста Прип’ять». Беспристрастные печатные строки. На самом деле на нее ушло сотни беспокойных дней и бессонных ночей, много сил и здоровья.

Официальной датой рождения Института химии поверхности считается 8 мая 1986 года. Но об этом многие его сотрудники узнали позже. Все перепутал Чернобыль. С первых дней мая химики решали задачу, как «связать» радионуклиды, дезактивировать поверхности зданий, сооружений, дорог, чтобы ограничить распространение радиоактивного загрязнения. Из горячего чрева разрушенного реактора вырывалось огромное количество радиоактивных аэрозолей и пыли, которые разносились ветром на большие расстояния, не говоря уже о территории ЧАЭС и близлежащей местности. Работать там было невозможно, несмотря на то, что постоянно сотни солдат тщательно с порошками мыли все вокруг, драяли огромный машинный зал третьего энергоблока и другие помещения станции.

Об этой странице чернобыльской летописи широкой общественности почти неизвестно. Все решалось буквально в считанные дни и часы. А.Чуйко со своими коллегами для обработки всей территории ЧАЭС, с ее сооружениями и помещениями предложил применить специальный состав его распыляли с вертолета над реактором, из радиоактивного жерла которого продолжался выброс аэрозолей. В результате их концентрация снизилась местами в тысячи раз, практически прекратилось выделение пыли из развалов, удалось осуществить плановый пуск 1-го и 2-го энергоблоков.

Дни чернобыльской эпопеи сдружили А.Чуйко с начальником химических войск СССР, доктором технических наук генерал-полковником В.Пикаловым. (За участие в ликвидации последствий аварии на ЧАЭС генерал удостоен звания Героя Советского Союза.) Не раз вместе «зависали» над 4-м блоком на вертолете, а однажды на бронетранспортере пришлось приблизиться к самому реактору. Такой риск был связан с решением все той же проблемы пылеулавливания. Ученые института химии поверхности предложили «надеть» на реактор «противогаз» (так условно его назвали). Он представлял из себя легкую конструкцию из дюраля высотой несколько десятков метров в «юбке» из углеродистых и кварцевых волокон. Аэрозоли должны были «связываться» с помощью специального липкого состава, выкачиваются насосом в трубу, из которой они затем попадали в стандартные кубы для захоронения радиоактивных отходов. Это было простое и дешевое приспособление. Б.Патон поддержал идею (следует сказать, что в тех экстремальных условиях многие идеи и изобретения рождались и внедрялись сходу) и вызвался взяться за сварку металлоконструкций. Мол, вы поскорее подготовьте чертежи и давайте свою «химию», а металлические конструкции мы сделаем в Институте электросварки.

Три дня и три ночи сотрудники не покидали здание института, и к концу третьих суток чертежи и расчеты были готовы. Однако руководство правительственной комиссии по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС не стало даже рассматривать проект. Так он и пылится в чернобыльском архиве.

Рассказ об участии химиков в работах по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС будет неполным, если не упомянуть тот факт, что ими было выполнено 13 правительственных постановлений, касающихся решения чернобыльских проблем.

Как ни странно, но «чернобыльский имидж» института был использован морально нечистоплотными людьми против него же. Когда городскими властями была выделена площадка под сооружение институтского здания на участке, где расположен целый комплекс научных учреждений, вокруг потенциальной стройки разгорелись страсти. Какие-то «зеленые» и так называемые общественные активисты распустили слухи о том, что проект не отвечает экологическим нормам, что институт будет выбрасывать в воздух тонны радиоактивной пыли, так как будет заниматься переработкой... чернобыльской земли. Нашлось немало простаков, поверивших в такую чепуху. Были инициированы обращения в инстанции, листовки... И, как нередко бывает в подобных ситуациях, стройку просто закрыли. Институт остался без ничего, его лаборатории оказались разбросанными по всему городу — в 23(!) точках. Но, как говорит А.Чуйко, это были «точки», где сидели настоящие ученые (КПИ, университет им. Шевченко, институты физики, полупроводников, кибернетики и т. д.), и исследования не прекращались ни на день.

Только в прошлом году институт наконец-то переехал в собственное помещение, которое до сих пор пытается привести в приличный вид.

Силлард, силикс, фитосил...

Был случай

В областную больницу, где находится кафедра Винницкого медуниверситета, из сельской глубинки привезли умирающую девочку-подростка. Вследствие кишечной патологии у нее развился перитонит. Она погибала от интоксикации. Спасти ее, как говорят в подобных случаях, могло только чудо. Врачи, понимая тяжесть состояния хрупкой пациентки, на него не надеялись. И тогда зав. кафедрой биохимии медуниверситета профессор Н.Луцюк предложил применить белый порошок, суспензией из которого ей промыли брюшную полость, обработали пораженные участки. И чудо случилось — девочка ожила.

Так, методом эксперимента в безвыходной ситуации клиницисты выявили уникальные свойства порошка, разработанного учеными Института химии поверхности. Это был первый сорбент медицинского назначения на основе синтетического дисперсного оксида кремния, которому винницкие ученые-медики дали название полисорб. Более широкую известность в медицинской практике этот препарат получил как силлард.

До случая со спасением безнадежной винницкой пациентки он успешно применялся в ветеринарии (им лечили телят, страдающих от диспепсии), использовался для капсулирования бычьей спермы с целью сохранения генофонда крупного рогатого скота.

Разработкой химиков заинтересовались медики. Более десяти лет в рамках биомедицинского направления институт сотрудничает с Винницким медицинским университетом им. Н.Пирогова, рядом НИИ и клиник Минздрава Украины. Многочисленные исследования и клиническая практика дали поразительные результаты.

По своим сорбирующим способностям высокодисперсный кремнезем (ВДК) значительно превосходит все известные сорбенты медицинского назначения. Величина связывания микроорганизмов составляет до 3 млрд. микробных тел на 1 г сорбента. Столь высокий сорбирующий эффект, по наблюдениям ученых, обусловлен феноменом аглютинации микроорганизмов частицами ВДК. По размеру последние (4—40 нм) значительно меньше микроорганизмов (1—10 нм), и именно частицы сорбента адсорбируются на микробных клетках, а не наоборот. Даже при незначительной концентрации частицы ВДК способны аглютинировать микроорганизмы, подобно клею связывая их в один конгломерат. Доказана также высокая белоксорбирующая (протеинонектическая) способность ВДК. Кроме сорбционного свойства, ВДК обладает биологической активностью.

Недавно внедрен в медицинскую практику новый биокорригирующий энтеросорбент силикс, способный быстро связывать и выводить из организма токсические вещества эндо- и экзогенной природы, патогенные микроорганизмы и вирусы. Он создан на основе все того же кремнезема. В силу особенностей химического строения поверхности ВДК силикс используется не только как сорбент с биокорригирующими свойствами, матрица-носитель при создании комбинированных лекарственных средств, но и как самостоятельный препарат эфферентной терапии. Он успешно применяется при лечении острых кишечных инфекций, вирусного гепатита, хронической почечной недостаточности, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, в пульмонологии, гематологии, онкологии и т. д. В аппликационной форме силикс особенно эффективен в гнойной хирургии как средство лечения гнойно-воспалительных процессов. С его использованием разработаны новые комплексные препараты — введение силикса способствует ускоренному всасыванию лекарственной субстанции, повышению ее биодоступности и эффективности, улучшению фармакокинетических показателей.

Академик А.Чуйко, как и многие его коллеги-медики, уверен, что силикс — это «лекарства нового века». Всякое фармацевтическое средство, как известно, кроме полезного начала, имеет нежелательные, а то и вредные побочные эффекты. А разработанный ими лекарственный препарат биосовместим, безвреден, экологически безопасен. И при всем при этом еще и дешевле в сравнении с другой «химией».

Химия поверхности тесно состыковалась с биологией и медициной, и сегодня отдел медико-биологических проблем поверхности в структуре ИХП стал ведущим. Учеными института открыта и обоснована на молекулярном уровне связь между особенностями химического строения поверхности аморфного кремнезема и его биоактивностью, что позволяет создавать новые терапевтические технологии. Доказан эффект значительного увеличения биодоступности лечебных веществ, обусловленный электростатическим воздействием наноструктурных частиц кремнезема с мембранами клеток. Химики совместно с медиками работают сегодня над проблемой создания лекарственных средств с заданной фармакодинамикой.

Группой ученых ИХП совместно со специалистами-медиками разработаны лечебные препараты нового поколения — фитосил, лизосил, кардиосил и др., предназначенные для лечения различных патологий и обладающие иммуномодулирующей активностью. В институте также созданы оригинальные санитарно-гигиенические средства (например, лечебно-профилактическая зубная паста «Силардент»), хирургические повязки, ультрадисперсные магнитоуправляемые носители лекарственных соединений, биосовместимые ортопедические материалы для стоматологии, пищевые добавки.

Три — это хорошая компания

Полное название института — МНТК «Институт химии поверхности НАН Украины». Что означает эта аббревиатура — МНТК — сегодня, наверное, знает не каждый. В последние годы на слуху был только федоровский МНТК «Микрохирургия глаза». Так вот, МНТК — это межотраслевой научно-технический комплекс. Идея их создания принадлежит академику Б.Патону.

— Еще в 60-е годы Борис Евгеньевич создал блестящую научную инфраструктуру, — считает А.Чуйко. — У нас, в отличие от Запада, где фундаментальная наука сосредоточена главным образом при университетах, сложилась другая система ее организации. Структура «институт — СКТБ — опытное производство — завод» была очень удачной. С началом горбачевской перестройки Патон эту структуру модернизировал, предложив форму МНТК. В России до сих пор такая форма работает. В Украине было создано три МНТК. Первый организовал академик Б.Патон на базе научно-производственного комплекса «Институт электросварки им. Е.Патона». Вторым был Институт материаловедения, руководимый уже покойным ныне академиком В.Трефиловым. Затем, в 90-м году, МНТК был создан на базе Института химии поверхности. Помню, когда по этому поводу вышло постановление союзного правительства, Борис Евгеньевич пошутил: «До сих пор мы были вдвоем, а вот три — это уже компания».

— Сейчас многие сетуют на всеобщую разруху, «утечку мозгов» и тому подобное, — продолжает Алексей Алексеевич. — В одночасье, словно по мановению волшебной палочки, ничего не изменится. И в этих условиях нужно искать возможности для развития науки. Я не склонен слишком драматизировать ситуацию. И это даже хорошо, что молодые ученые едут за рубеж, где они будут работать в современных научных лабораториях, а, значит, не останавливаться в своем развитии. Благодаря тому, что многие наши сотрудники работают в западных научных центрах, мы имеем широкие зарубежные контакты (и контракты), договора и гранты. Сейчас мы получили заказ от одной крупной американской фирмы. В общей сумме примерно до 50% средств зарабатываем сами.

Многие исследования Институт химии поверхности НАН Украины проводит с авторитетными зарубежными научными центрами, например, с Фраунгоферовским институтом химии силикатов при Университете г.Вюрцбург (ФРГ), Университетом Нотр-Дам (США), Университетом Галле (Германия), Институтом жидких кристаллов (Великобритания), Стокгольмским институтом химии поверхности (Швеция) и т. д. В продолжение ряда лет выполнялись теоретические и экспериментальные работы по договорам с известной американской фирмой «Шервин-Вильямс» и израильской компанией «Биосил». Совместно с Делфтским технологическим университетом (Нидерланды), Институтом катализа и нефтехимии (Мадрид, Испания) выполнялся исследовательский проект, финансируемый фондом ЕЭС, по созданию экологически безопасных транспортных топлив. Наверное, перечисленное достаточно убедительно свидетельствует о широких международных контактах киевского института. А о научной новизне проводимых украинскими учеными исследований говорит количество публикаций в ведущих научных журналах — 50—60 статей в год.

Академик А.Чуйко считает, что сегодня аббревиатуру МНТК правильнее было бы расшифровывать как международный научно-технический комплекс. И такие притязания не безосновательны. Помимо расширения и укрепления зарубежных контактов предполагается создание совместных научно-исследовательских лабораторий с Израилем, Китаем, Швецией, Голландией, Францией. В планах — организация учебного центра по подготовке специалистов в области химии поверхности из зарубежья. Сейчас по инициативе директора ИХП А. Чуйко совместно с национальными университетами им.Т.Шевченко, КПИ и им.О.Богомольца создается учебный центр, где будет осуществляться подготовка кадров для института. «Нам нужны медики, физики, химики, биологи, технологи,— говорит Алексей Алексеевич. — Направление биомедицинских проблем поверхности — это совсем новая наука. Наш отечественный престиж. Мы заложили основу, а развивать ее молодым».

***

В память о посещении института нам вручили флакон с пушистым белым порошком. «А откуда такое название — силикс (Silics)»? — полюбопытствовали мы. Авторство названия препарата принадлежит директору института и расшифровывается просто: первые три буквы — от сокращенного наименования кремнезема (silica — англ.), а остальные — от английского названия Института химии поверхности (Institute Chemistry of Surface). И все-таки силикс — это сила!