Дива поверхні

Дослідники ІХП НАН України, проникаючи в таємниці нанохімії, створюють унікальні речовини і препарати для сучасної медицини та охорони довкілля

Будь-який матеріальний предмет - це всього лише скупчення атомів у просторі. Те, як ці атоми зібрані в структуру, визначає, що це буде за предмет. І ми тільки диригуємо оркестром із цих атомних структур. Цей оркестр існував зі створення світу й лише чекав, коли з’явиться диригент...

С.Лем, «Огляд на місці»

Робота на унікальному мас-спектрометричному приладі.

За рішенням ЮНЕСКО 2011 рік оголошено Міжнародним роком хімії. Світова громадськість віддає їй данину поваги цілком заслужено - саме завдяки хімії людство досягло прогресу в різних сферах життя, а сучасні досягнення цієї науки дають змогу створювати речовини із заданими властивостями, які не мають згубного впливу на природу, не порушують її гармонії, поліпшують здоров’я людей, полегшують і скрашують їхнє життя.

Під знаком хімії цього року пройшов і Всеукраїнський фестиваль науки, діапазон заходів якого був надзвичайно широкий - від демонстрації «наукових іграшок» школярам до публічних лекцій авторитетних французьких учених і захопливих кінофільмів про досягнення сучасної хімії. Логічним завершенням тематичного фестивалю, приуроченого до Дня науки, стане День хіміка, що відзначається 28 травня.

Для співробітників Інституту хімії поверхні ім. О.Чуйка (ІХП) НАН України нинішній травень особливий - у ці дні ІХП відзначив своє 25-річчя. І хоча ця наукова установа порівняно молода в структурі Національної академії наук, завдяки своїм проривним розробкам вона здобула широке визнання не тільки в нашій країні, а й за кордоном. Чим можуть сьогодні пишатися наші вчені-хіміки? Про це журналіст DT.UA напередодні професійного свята хіміків розмовляє з директором Інституту хімії поверхні ім. О.Чуйка НАН України, членом-кореспондентом НАНУ Миколою КАРТЕЛЕМ.

- Миколо Тимофійовичу, мабуть, глибинний зміст висловлювання Нобелівського лауреата В.Паулі «Обсяг придуманий Богом, а поверхня - дияволом» - по-справжньому зрозумілий тільки хімікам, цариною наукових пошуків яких є хімія поверхні. У більшості ж невтаємничених викликає запитання саме словосполучення «хімія поверхні». У чому сутність цього напряму сучасної хімічної науки?

- Очевидно, у багатьох назва нашого інституту асоціюється з чимось екзотичним або абстрактним, що не має стосунку до практичних запитів суспільства, що розвивається. Такі розділи хімічної науки, як неорганічна хімія, органічна хімія, фізична хімія, хімія полімерів і деякі інші, здаються зрозумілими, із чітко визначеними сферами досліджень. Проте при більш детальному і пильному розгляді стає очевидно, що багато практично важливих процесів завжди були зумовлені взаємодією окремих атомів або молекул із поверхнею твердого тіла - пограничним шаром, який відокремлює його від фази іншого твердого тіла, рідини чи газу. Прикладів таких взаємодій безліч, починаючи від розчинення кухонної солі чи цукру у процесі готування їжі й до впливу молекул атмосфери на обшивку космічного корабля при його приземленні.

Поверхня реального твердого тіла ніколи не буває ідеально гладенькою та однорідною, на ній завжди є певного типу нерегулярності, тобто заглиблення, нарости різної форми, тріщини, розміри яких становлять десятки й сотні нанометрів. Їх кількість значно зростає при переході від звичайних зразків твердого тіла до високодисперсних (тобто дуже малих розміром), спеціально виготовлених зразків, площа поверхні одного грама яких досягає кількох сотень і навіть тисяч квадратних метрів. Для властивостей таких матеріалів визначальними стають властивості, зумовлені атомами, розташованими на поверхні. Вчені навчилися створювати речовини з модифікованою поверхнею і заданими властивостями. Для цього вони до поверхневих атомів «прищеплюють» різноманітні сполуки. Все це, природно, дуже тонка й точна робота, здійснювана фахівцями на нанорівні.

- Останнім часом широко почали вживати термін «нанохімія». У назві підрозділів вашого інституту часто зустрічається префікс «нано». У чому, на вашу думку, полягає взаємозв’язок хімії поверхні і нанонаук, зокрема нанохімії?

- Наш інститут зароджувався в надрах Інституту фізичної хімії ім. Л.Писаржевського АН УРСР саме для дослідження властивостей поверхні високодисперсних тіл, які складаються з частинок із високою питомою поверхнею. Тоді ще мало хто говорив про так звану нанонауку, тобто про комплекс наук, які вивчають властивості систем, принаймні один з розмірів яких перебуває в діапазоні від 1 до 100 нм. Це двомірні плівки, квантові ями, точки й ниті, кластери. Тільки згодом стало зрозуміло, що весь комплекс експериментальних методик синтезу високодисперсних твердих тіл і методів дослідження їхніх властивостей, розроблених нашими вченими, майже збігається з тими, що використовуються в нанохімії.

Засновник інституту академік Олексій Олексійович Чуйко інтуїтивно відчув генетичний зв’язок між хімією поверхні та нанотехнологіями. Адже хімія поверхні - це галузь досліджень, що перебуває на стику фізичної хімії та хімічної фізики і займається вивченням хімічного і фазового складу поверхні твердих тіл і реакцій, що відбуваються на поверхні з участю або без участі її атомів у хімічному перетворенні.

Нанотехнології спрямовані на створення систем низької розмірності (нуль-, одно- і двомірних), а також систем, що складаються з частинок, розмір яких перебуває у згаданому вище нанодіапазоні. Через малі розміри наносистеми мають дуже високий розмір питомої поверхні і тому проявляють високу хімічну активність, зумовлену властивостями саме атомів, розташованих на поверхні. Висока реакційна здатність наночастинок часто грає з ними злий жарт, який полягає в тому, що вони не можуть існувати в індивідуальному стані. Тому їх доводиться стабілізувати, використовуючи саме ті підходи хімічної модифікації поверхні високодисперсних твердих тіл, які було розроблено й які розробляються нині в ІХП. Крім того, для надання наночастинкам характеристик, яких вони раніше не мали, буває потрібно сформувати на їхній поверхні структури для підвищення їхніх каталітичних або адсорбційних властивостей. У таких випадках також виявляються затребуваними методи та методики хімії поверхні. Ці методи стають іще важливішими, коли врахувати те, що суто фізичні технології отримання наноструктур досягли межі, зумовленої самою природою речовини - її атомно-молекулярною будовою. Тому отримання нових матеріалів або використання їхніх властивостей, заснованих на ефектах розмірного квантування (залежність цих властивостей від розмірів наночастинок), часто неможливе без застосування спрямованих і достатньо тонких хімічних синтезів. Як приклад таких хімічних підходів можна навести золь-гель методи, молекулярну променеву епітаксію, молекулярне нашаровування, осадження з парової фази (так звані CVD-технології) тощо. Наведені міркування прояснюють взаємозв’язок хімії поверхні та нанотехнології.

- У нашому тижневику ми свого часу розповідали про новий сорбент з унікальними властивостями - силікс, розроблений в Інституті хімії поверхні. Цікаво, яка його доля?

- У медичній практиці при застосуванні хімічних речовин зазвичай використовують два взаємовиключні принципи лікування - введення в організм лікарських препаратів (медикаментозні методи) і виведення з організму чужорідних речовин і токсичних речовин, що потрапили в організм ззовні або утворилися безпосередньо в організмі (еферентні методи). Використання еферентної терапії тривалий час обмежувалося двома чинниками, як-от: широким застосуванням та ефективністю медикаментозних методів і обмеженого арсеналу відомих медичних сорбентів. Зростання потреби клінік у сорбентах, зумовлена збільшенням кількості шкідливих чинників зовнішнього середовища, підштовхнула до розробки і впровадження в медичну практику, поряд із добре відомими або недавно створеними поліпшеними вуглецевими та полімерними сорбентами, препаратів еферентної терапії на основі кремнію. Один із таких сорбентів, що отримав назву «силікс», розроблено в ІХП під керівництвом академіка О.Чуйка. Завдяки великій питомій поверхні (200-400 м²/г) та особливостям будови він має високу поглинальну здатність стосовно водорозчинних метаболітів, білків, екзо-, ендотоксинів і патогенних мікроорганізмів. Ще одна особливість силіксу - висока швидкість перебігу сорбційних процесів.

У лабораторії хімії поверхні гібридних матеріалів

Проте згодом стало зрозуміло, що ефективність силіксу як медичного препарату можна в багато разів підвищити, створюючи на його основі комплекси лікарських засобів перорального застосування, що мають пролонговану дію. Було створено також комплексні препарати для аплікаційного застосування, при розробці яких використано принцип синергетичної дії інгредієнтів, при цьому ефективність дії кожного з них збільшується за наявності іншого компонента. Нині ці розробки успішно застосовуються в клінічній практиці.

- Мені відомо, що сфера ваших наукових інтересів зосереджена на вуглецевих матеріалах, які, як здається, вивчено вздовж і впоперек. Чого нового останнім часом досягнуто в дослідженнях вуглецевих матеріалів?

- Після синтезу фулеренів, вуглецевих нанотрубок і графенів учені звернули увагу на те, що в таких системах усі атоми можна вважати не просто поверхневими, а, якщо можна так сказати, вдвічі поверхневими. Адже у твердому тілі атоми на поверхні не мають тільки одного сусіда з боку приповерхневої ділянки, а у фулеренах, графенах і нанотрубках всі атоми позбавлені своїх сусідів з двох боків, що надає їм цілком унікальних властивостей. Ці властивості знаходять своє вираження в багатьох галузях хімії, матеріалознавства, мікроелектроніки, системах зберігання і передачі інформації, а також при впливі на біологічні об’єкти на клітинному рівні.

- Які прикладні розробки інституту нині застосовуються у виробничій практиці?

- Їх досить багато. Наведу для прикладу кілька основних. Це вже відомий вам ентеросорбент силікс - медичний препарат сорбційної дії для профілактики та лікування шлунково-кишкових інфекцій, включаючи холеру, сальмонельоз, дизентерію; комбіновані лікувальні засоби (фітосилікс та інші, які посилюють терапевтичний ефект, пролонгують вплив ліків, їх біодоступність); захисно-стимулюючі суміші для насіння рослин; сполуки для кріоконсервування репродуктивних клітин; реагенти для вогнегасних пінних сполук, бурових розчинів, наповнювачів фарб, целюлозно-паперових виробів тощо; некоагуляційне мастило силар, широко застосовуване в машинобудуванні, авіаційній, суднобудівній і хімічній промисловості; гідрофобні сорбенти з високою сорбційною ємністю (до 50 г на 1 г сорбента) для збирання на суходолі й у воді розливів нафти і нафтопродуктів; мобільні та стаціонарні радіопрозорі покриття для радіолокаційних станцій; матеріали, що поглинають електромагнітні випромінювання в різних діапазонах частот, звуко- і теплоізоляційні матеріали. І цей перелік можна продовжити.

- Існують загальновизнані критерії оцінки рівня наукових праць. Свого часу в нашому тижневику йшлося також про широке міжнародне співробітництво ІХП НАНУ. Чи вдасться підтримувати планку наукового визнання?

- За підсумками 2010 року в рейтингу наукових установ НАН України наш інститут посідає досить високе місце - 11-те (з індексом Хірша - 37 і середнім індексом цитування опублікованих статей - понад 6) з 50 наукових установ, представлених у списку. Цей рейтинг періодично визначається і з’являється на сайті Національної бібліотеки ім. В.Вернадського НАН України.

Що стосується міжнародного визнання та співробітництва, то воно в нас традиційно дуже плідне. Інститут співробітничає з науковими центрами в таких країнах, як США, Великобританія, Німеччина, Франція, Швейцарія, Іспанія, Китай, Мексика, Польща, Швеція, Угорщина, Туреччина та ін.

- Безперечно, без сучасного устаткування проводити дослідження на світовому рівні неможливо. Як ви вирішуєте цю дуже болючу для наших НДІ проблему?

- Певною мірою проблему вирішують центри колективного користування сучасними дорогими приладами, що існують у системі НАН України. Частково ми проводимо дослідження на приладовій базі наших зарубіжних партнерів. У нашому інституті також є унікальний і поки що єдиний в Україні мас-спектрометричний комплекс, що працює за принципом лазерно-десорбційної іонізації. Він дає можливість отримувати наукові результати найвищого рівня. На сьогодні відділ мас-спектрометрії нанорозмірних систем, очолюваний доктором фізико-математичних наук В.Покровським, є провідним в Україні у вирішенні актуальних завдань хімії, фізики та біомедичних проблем поверхні різноманітних наноматеріалів методами мас-спектрометрії.

- Батьком науки, що називається хімією поверхні, вважається професор Герхард Ертл. Чи є в нас науковий авторитет у цій галузі, чиє ім’я можна було б поставити поруч із ним?

- За великим рахунком, професор Ертл досліджував хімічні реакції на поверхні твердих тіл, що дало йому змогу отримати дуже важливі результати в низці каталітичних і корозійних процесів. Проте багато з тих явищ, які досліджував Ертл, задовго до нього були вивчені і практично втілені завдяки колективу українських учених під керівництвом академіка Чуйка. Ці роботи, з огляду на специфіку розвитку науки в колишньому СРСР (сувора таємність багатьох робіт, обмежені контакти з західними вченими), були відомі, на жаль, невеликому колу фахівців. Треба врахувати й те, що Нобелівська премія присуджується тільки за життя. Олексій Олексійович раптово помер 2006 року, у розквіті творчої діяльності. Ну а Нобелівську премію з хімії поверхні присуджували в 2007-му. Якби О.Чуйко на той час був живий, то, я гадаю, він цілком заслужено міг би бути реальним претендентом на цю найвищу в науковому світі нагороду.

- Цікаво, якими вам бачаться перспективи розвитку нанонаук і, зокрема, нанотехнології?

- Думаю, основним чинником, що стримує розвиток наномашин, є аж ніяк не складність їх виготовлення. Вчені вже вміють збирати атоми й молекули в певні конструкції. Головна складність полягає в іншому - для того, щоб зібрати таку машину, потрібно спочатку її сконструювати, розробити. Розрахунок такої конструкції - річ надзвичайно трудомістка й складна, для її здійснення не вистачає потужності навіть сучасних суперкомп’ютерів. Але ми знаємо, якими темпами розвивається обчислювальна техніка. Тому поява молекулярних роботів - це справа часу. Так зване дерево розвитку нанотехнологій уже спрогнозовано на найближчі 40-50 років. Роботи там для фахівців у галузі хімії, фізики та технології поверхні, а отже і для науковців ІХП, дуже багато, тому головні досягнення й успіхи в нас іще попереду.