Чудеса поверхности

Исследователи ИХП НАН Украины, проникая в тайны нанохимии, создают уникальные вещества и препараты для современной медицины и охраны окружающей среды

Любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет. И мы только дирижируем оркестром из этих атомных структур. Этот оркестр существовал с сотворения мира и лишь ждал, когда появится дирижер…

С. Лем, «Осмотр на месте»

Работа на уникальном масс-спектрометрическом приборе.

По решению ЮНЕСКО 2011 г. объявлен Международным годом химии. Мировая общественность отдает ей дань уважения вполне заслуженно - именно благодаря химии человечество достигло прогресса в разных сферах жизни, а современные достижения этой науки дают возможность создавать вещества с заданными свойствами, не имеющими пагубного воздействия на природу, не нарушающими ее гармонию, направленные на сохранение и оздоровление окружающей среды, улучшающие здоровье людей, облегчающие и скрашивающие их жизнь.

Под знаком химии в этом году прошел и Всеукраинский фестиваль науки, диапазон мероприятий которого был необычайно широк - от демонстрации «научных игрушек» школьникам до публичных лекций авторитетных французских ученых и увлекательных кинофильмов о достижениях современной химии. Логическим завершением тематического фестиваля, приуроченного ко Дню науки, станет День химика, отмечаемый 28 мая.

Для сотрудников Института химии поверхности им. А.Чуйко (ИХП) НАН Украины нынешний май особенный - в эти дни ИХП отметил свое 25-летие. И хотя это научное учреждение сравнительно молодое в структуре Национальной академии наук, благодаря своим прорывным разработкам оно снискало широкое признание не только в нашей стране, но и за рубежом. Чем могут сегодня гордиться наши ученые-химики? Об этом журналист ZN.UA накануне профессионального праздника химиков беседует с директором Института химии поверхности им. А. Чуйко НАН Украины, членом-корреспондентом НАНУ Николаем КАРТЕЛЕМ.

- Николай Тимофеевич, пожалуй, глубинный смысл высказывания Нобелевского лауреата В. Паули «Объем придуман Богом, а поверхность - дьяволом» - по-настоящему понятен только химикам, областью научных изысканий которых является химия поверхности. У большинства же непосвященных вызывает вопрос само словосочетание «химия поверхности». В чем сущность этого направления современной химической науки?

- По-видимому, у многих название нашего института ассоциируется с чем-то экзотическим или абстрактным, не имеющим отношения к практическим запросам развивающегося общества. Такие разделы химической науки, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, химия полимеров и некоторые другие, кажутся понятными, с четко определенными областями исследований. Однако при более детальном и пристальном рассмотрении становится очевидным, что многие практически важные процессы всегда были обусловлены взаимодействием отдельных атомов или молекул с поверхностью твердого тела - пограничным слоем, отделяющим его от фазы другого твердого тела, жидкости или газа. Примеров таких взаимодействий огромное количество, начиная от растворения кухонной соли или сахара в процессе приготовления пищи и до воздействия молекул атмосферы на обшивку космического корабля при его приземлении.

Поверхность реального твердого тела никогда не бывает идеально гладкой и однородной, на ней всегда присутствуют определенного типа нерегулярности, то есть углубления, наросты различной формы, трещины, размеры которых составляют десятки и сотни нанометров. Их количество значительно возрастает при переходе от обычных образцов твердого тела к высокодисперсным (то есть обладающим очень малым размером), специально приготовленным образцам, площадь поверхности одного грамма которых достигает нескольких сотен и даже тысяч квадратных метров. Для свойств таких материалов определяющими становятся свойства, обусловленные атомами, расположенными на поверхности. Ученые научились создавать вещества с модифицированной поверхностью и заданными свойствами. Для этого они к поверхностным атомам «прививают» различные соединения. Все это, естественно, очень тонкая и точная работа, осуществляемая специалистами на наноуровне.

- В последнее время широко употребимым стал термин «нанохимия». В названии подразделений вашего института часто встречается приставка «нано». В чем, по вашему мнению, заключается взаимосвязь химии поверхности и нанонаук, в частности нанохимии?

- Наш институт зарождался в недрах Института физической химии им. Л.В. Писаржевского АН УССР именно для исследования свойств поверхности высокодисперсных тел, состоящих из частичек с высокой удельной поверхностью. Тогда еще мало кто говорил о так называемой нанонауке, т.е. о комплексе наук, изучающих свойства систем, по крайней мере, один из размеров которых находится в диапазоне от 1 до 100 нм. Это двухмерные пленки, квантовые ямы, точки и нити, кластеры. Только со временем стало понятно, что весь комплекс экспериментальных методик синтеза высокодисперсных твердых тел и методов исследования их свойств, разработанных и используемых нашими учеными, почти совпадает с теми, которые используются в нанохимии.

Основатель института академик Алексей Алексеевич Чуйко интуитивно почувствовал генетическую связь между химией поверхности и нанотехнологиями. Ведь химия поверхности - это область исследований, которая находится на стыке физической химии и химической физики и занимается изучением химического и фазового состава поверхности твердых тел и реакций, происходящих на поверхности с участием или без участия ее атомов в химическом превращении.

Нанотехнологии направлены на создание систем низкой размерности (ноль-, одно- и двухмерных), а также систем, состоящих из частиц, размер которых находится в упомянутом выше нанодиапазоне. Из-за малых размеров наносистемы имеют очень высокую величину удельной поверхности и поэтому проявляют высокую химическую активность, обусловленную свойствами именно атомов, расположенных на поверхности. Высокая реакционная способность наночастиц часто играет с ними злую шутку, заключающуюся в том, что они не могут существовать в индивидуальном состоянии. Поэтому их приходится стабилизировать, используя именно те подходы химической модификации поверхности высокодисперсных твердых тел, которые были разработаны и разрабатываются в настоящее время в ИХП. Кроме того, для придания наночастицам характеристик, которыми они ранее не обладали, бывает необходимо сформировать на их поверхности структуры для повышения их каталитических или адсорбционных свойств. В таких случаях также оказываются востребованными методы и методики химии поверхности. Эти методы становятся еще более важными, если учесть то, что чисто физические технологии получения наноструктур достигли предела, обусловленного самой природой вещества - его атомно-молекулярным строением. Поэтому получение новых материалов или использование их свойств, основанных на эффектах размерного квантования (зависимость этих свойств от размеров наночастиц), часто невозможно без применения направленных и достаточно тонких химических синтезов. В качестве примера таких химических подходов можно привести золь-гель методы, молекулярную лучевую эпитаксию, молекулярное наслаивание, осаждение из паровой фазы (т.н. CVD-технологии) и т.д. Приведенные рассуждения проясняют взаимосвязь химии поверхности и нанотехнологии.

- В нашем еженедельнике в свое время рассказывалось о новом сорбенте с уникальными свойствами - Cиликсе, разработанном в Институте химии поверхности. Интересно, какова его судьба?

- В медицинской практике при применении химических веществ обычно используют два взаимоисключающих принципа лечения - введение в организм лекарственных препаратов (медикаментозные методы) и выведение из организма чужеродных веществ и токсических веществ, попавших в организм извне или образующихся непосредственно в организме (эфферентные методы). Использование эфферентной терапии долгое время ограничивалось двумя факторами, а именно: широким применением и эффективностью медикаментозных методов и скудным арсеналом известных медицинских сорбентов. Растущая потребность клиник в сорбентах, обусловленная увеличением количества вредных факторов внешней среды, подтолкнула к разработке и внедрению в медицинскую практику, наряду с хорошо известными или недавно созданными улучшенными углеродными и полимерными сорбентами, препаратов эфферентной терапии на основе кремния. Один из таких сорбентов, получивший название «Силикс», был разработан в ИХП под руководством академика А.А.Чуйко. Благодаря большой удельной поверхности (200 - 400 м2/г) и особенностям строения он обладает высокой поглотительной способностью по отношению к водорастворимым метаболитам, белкам, экзо-, эндотоксинам и патогенным микроорганизмам. Еще одна особенность Силикса - высокая скорость протекания сорбционных процессов.

В лаборатории химии поверхности гибридных материалов

Однако со временем стало понятным, что эффективность Силикса как медицинского препарата можно многократно повысить, создавая на его основе комплексы лекарственных средств перорального применения, которые обладают пролонгирующим действием. Были созданы также комплексные препараты для аппликационного применения, при разработке которых использован принцип синергетического действия ингредиентов, при этом эффективность действия каждого из них увеличивается при наличии другого компонента. Сегодня эти разработки успешно применяются в клинической практике.

- Мне известно, что область ваших научных интересов сосредоточена на углеродных материалах, которые, как кажется, изучены вдоль и поперек. Что нового в последнее время достигнуто в исследованиях углеродных материалов?

- В последнее время после синтеза фуллеренов, углеродных нанотрубок и графенов ученые обратили внимание на то, что в таких системах все атомы можно считать не просто поверхностными, а, если можно так сказать, вдвойне поверхностными. Ведь в твердом теле атомы на поверхности не имеют только одного соседа со стороны приповерхностной области, а в фуллеренах, графенах и нанотрубках все атомы лишены своих соседей с двух сторон, что придает им совершенно уникальные свойства. Эти свойства находят свое выражение во многих областях химии, материаловедения, микроэлектроники, системах хранения и передачи информации, а также при воздействии на биологические объекты на клеточном уровне.

- Какие прикладные разработки института в настоящее время применяются в производственной практике?

- Их достаточно много. Приведу для примера несколько основных. Это уже известный вам энтеросорбент Силикс - медицинский препарат сорбционного действия для профилактики и лечения желудочно-кишечных инфекций, включая холеру, сальмонеллез, дизентерию; комбинированные лечебные средства (фитосиликс и др., которые усиливают терапевтический эффект, пролонгируют воздействие лекарства, его биодоступность); защитно-стимулирующие смеси для семян растений; составы для криоконсервирования репродуктивных клеток; реагенты для пенных огнетушащих составов, буровых растворов, наполнителей красок, целлюлозно-бумажных изделий и др.; некоагуляционная смазка «Силар», широко применяемая в машиностроении, авиационной, судостроительной и химической промышленности; гидрофобные сорбенты с высокой сорбционной емкостью (до 50 г на 1 г сорбента) для сбора на суше и на воде разливов нефти и нефтепродуктов; мобильные и стационарные радиопрозрачные покрытия для радиолокационных станций; материалы, поглощающие электромагнитные излучения в различных диапазонах частот, звуко- и теплоизоляционные материалы. И этот перечень можно продолжить.

- Существуют общепризнанные критерии оценки уровня научных работ. В свое время в нашем еженедельнике рассказывалось также о широком международном сотрудничестве ИХП НАНУ. Удается ли поддерживать планку научного признания?

- По итогам 2010 года в рейтинге научных учреждений НАН Украины наш институт занимает достаточно высокое место - 11-е (с индексом Хирша - 37 и средним индексом цитирования опубликованных статей - более 6) из 50 научных учреждений, представленных в списке. Этот рейтинг периодически определяется и появляется на сайте Национальной библиотеки им. В.И. Вернадского НАН Украины.

Что касается международного признания и сотрудничества, то оно у нас традиционно весьма плодотворное. Институт сотрудничает с научными центрами в таких странах, как США, Великобритания, Германия, Франция, Швейцария, Испания, Китай, Мексика, Польша, Швеция, Венгрия, Турция и др.

- Несомненно, без современного оборудования проводить исследования на мировом уровне невозможно. Как вы решаете эту очень больную для наших НИИ проблему?

- В определенной степени проблему решают центры коллективного пользования современных дорогостоящих приборов, существующие в системе НАН Украины. Частично мы проводим исследования на приборной базе наших зарубежных партнеров. В нашем институте также имеется уникальный и пока единственный в Украине масс-спектрометрический комплекс, работающий по принципу лазерно-десорбционной ионизации. Он дает возможность получать научные результаты самого высокого уровня. На сегодня отдел масс-спектрометрии наноразмерных систем, возглавляемый доктором физико-математических наук В.А. Покровским, занимает ведущее положение в Украине в решении актуальных задач химии, физики и биомедицинских проблем поверхности различных наноматериалов методами масс-спектрометрии.

- Отцом науки, которая называется химией поверхности, считается профессор Герхард Эртл. Есть ли у нас научный авторитет в этой области, чье имя можно было бы поставить рядом с ним?

- По большому счету, профессор Эртл исследовал химические реакции на поверхности твердых тел, что позволило ему получить очень важные результаты по ряду каталитических и коррозионных процессов. Однако многие из тех явлений, которые исследовал Эртл, задолго до него были изучены и нашли практическое воплощение благодаря коллективу украинских ученых под руководством академика Чуйко. Эти работы, ввиду специфики развития науки в бывшем СССР (строгая секретность многих работ, ограниченные контакты с западными учеными), были известны, к сожалению, небольшому кругу специалистов. Нужно учесть и то, что Нобелевская премия присуждается только при жизни. Алексей Алексеевич неожиданно умер в 2006 году, в расцвете творческой деятельности. Ну а Нобелевская премия по химии поверхности была присуждена в 2007-м. Если бы А.А. Чуйко к этому времени был жив, то, я думаю, он вполне заслуженно мог бы быть реальным претендентом на эту наивысшую в научном мире награду.

- Интересно, какими вам видятся перспективы развития нанонаук и в частности нанотехнологии?

- Думаю, основным фактором, сдерживающим развитие наномашин, является вовсе не сложность их изготовления. Ученые уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. Главная сложность состоит в другом - для того, чтобы собрать такую машину, надо сначала ее сконструировать, разработать. Расчет такой конструкции - дело чрезвычайно трудоемкое и сложное, для его осуществления не хватает мощности даже современных суперкомпьютеров. Но мы знаем, какими темпами развивается вычислительная техника. Поэтому появление молекулярных роботов - это вопрос времени. Так называемое «древо» развития нанотехнологий уже спрогнозировано на ближайшие 40-50 лет. Работы там для специалистов в области химии, физики и технологии поверхности, а значит и для научных работников ИХП, очень много, поэтому главные достижения и успехи у нас еще впереди.