По графеновой дорожке. Химики нашли короткий путь к производству.

Удивительно, но факт: сколько раз коллеги члена-корреспондента РАН Валентина Ананикова по всему миру проходили мимо очевидных вещей. А очевидными они становились лишь после исследований, которые проводили сотрудники Лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН, которую возглавляет Анаников, и публикаций результатов этих работ в ведущих иностранных научных изданиях...

На этот раз в ноябрьском номере журнала “ACS Catalysis” (DOI: 10.1021/cs500934g) появилась статья о строении и перспективах создания нового эффективного нанокатализатора. Заметим, что это — основное направление лаборатории, над ним она работает уже более 10 лет. Сначала химики использовали классический, широко применяемый гомогенный катализ. Затем обратили внимание на целый ряд уникальных процессов, в результате которых гомогенные катализаторы изменяются (происходит эволюция катализаторов) и образуются наночастицы металла. Оказалось, что наноразмерные катализаторы в особых условиях бывают иногда более активны, “потребляют” меньше металла, а значит, и нанокатализатора нужно меньше. Таким образом, весь процесс становится дешевле. Это очень важное обстоятельство, поскольку данная область органической химии чрезвычайно дорогая: каждый грамм вещества стоит немалых денег. Поэтому любое усовершенствование дает большой эффект.

- Исследуя механизмы гомогенных реакций, мы пришли к выводу, что на самом деле многие из них вовсе не гомогенны, а гетерогенны, то есть происходят на поверхности металлов, — рассказывает Валентин Анаников. — Для более детального изучения явления частицы металла, например никеля, палладия или платины, мы специально наносили на инертное вещество (наиболее подходящим оказался углерод). Так делают классические катализаторы, которые уже широко применяется в тонком органическом синтезе. Смешанный гомогенно-гетерогенный катализ — это очень интересная и перспективная область современной химии. Мы стараемся понять, как устроены катализаторы, как идут реакции, какой жизнью живут молекулы.

Вопросы эти чрезвычайно сложные, и до сих пор на них нет однозначного ответа, хотя ученые уже не раз старались найти подходы к их решению. Интерес к этой области еще больше возрос, когда за исследования графена наши соотечественники — Константин Новоселов и Андрей Гейм — удостоились звания нобелевских лауреатов. Графен, напомню, одна из форм углерода, и его активно изучают физики, химики и материаловеды, посвятив данной теме невероятное количество работ. Но нас интересовали проблемы, в которых физика соприкасалась с химией. Мы взялись за физико-химическое исследование углеродных материалов с помощью аналитических методов электронной микроскопии, ядерно-магнитного резонанса и масс-спектрометрии. В Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН для этого есть все возможности, в частности уникальная приборная база, одна из лучших в стране.

Так постепенно родился проект по изучению на атомно-молекулярном уровне взаимодействия металлов с углеродными материалами. Мы задались целью выяснить, что происходит, когда частицы металлов взаимодействуют с углеродным носителем. В 2014 году сформулировали идею проекта, который, по нашему мнению, мог бы дать важный результат.
Дальше надо было действовать как можно быстрее. На мой взгляд, в наши дни общая черта большинства успешных проектов — стремительность. Если идея оформилась в проект, то через полгода-год необходимо опубликовать первые результаты в профильном журнале. Скорость просто невероятная, но только так можно обеспечить свой приоритет. Опоздаешь на месяц — все, твое право на исследование “уплывает из рук”, поскольку конкуренция очень жестка. Не всем ученым нравится такой темп, но сейчас, увы, иначе просто нельзя. Либо ты шагаешь в ногу, либо отстаешь, оставаясь на месте. Так мало того, что ученый торопится сам, на него, его лабораторию и институт давят некие системы оценки результативности, требуя публикаций в журналах с высоким импакт-фактором. При этом, к сожалению, мало кто берет во внимание финансовую сторону дела: ведь чтобы оперативно выполнить проект, нужно иметь немалые средства. А где их взять, если наши гранты нередко символические? К тому же деньги, как правило, поступают по частям и ближе к концу года... Получается, чтобы выполнить достойный проект, нужно иметь сразу несколько грантов, что неизбежно приводит к распылению сил и фрагментарности.

Нашей работе, считаю, повезло: удалось очень быстро ее выполнить и опубликовать статью, а все потому, что мы выиграли весомый грант Российского научного фонда (РНФ): получили финансирование объемом в 15 миллионов рублей на три года как отдельная поисковая научная группа, ведущая фундаментальные исследования. Сумма значительная! Это значит, что несколько квалифицированных сотрудников могут посвятить работе все время и заниматься только одним проектом, а не всем понемногу. Такое в нашей практике случалось нечасто. И все это — благодаря новому фонду, что свидетельствует о наступлении смены вех в российской науке и ломке стереотипов.

Всего за полгода мы выполнили проект и получили результаты, которые удивили и нас, и научное сообщество. Как правило, считалось, что если частицы металла наносят на углеродную подложку, то сама она остается инертной матрицей. Когда же мы стали изучать этот процесс детально, шаг за шагом, с помощью электронной микроскопии, открылась целая серия процессов взаимодействия металла с углеродной матрицей. Возникла интереснейшая картина: разогретые частицы металла выжигали в углеродных слоях “траншеи” и “каналы” как на поверхности, так и в объеме. Частицы металла катализировали процесс образования нанотрубок из инертной углеродной подложки, которые росли за считаные минуты буквально на глазах. Многообразие происходящих процессов просто поразительное. Получается, что вся эта система живет своей жизнью, и сейчас мы имеем возможность в нее заглянуть и познакомиться с ней поближе. Понять, как идет эволюция катализатора, и изучить ее на молекулярном уровне. Приятно отметить, что основной движущей силой в выполнении этого этапа работы были мои молодые коллеги из нашей лаборатории — аспирант Евгений Пенцак и научный сотрудник Евгений Гордеев.

- Возможно ли практическое применение этого явления?

- Мы взялись за исследование потому, что хотели сделать эффективный нанокатализатор — при повышении эффективности катализа весь химический процесс можно осуществить заметно дешевле, и цена получаемого продукта будет ниже (это важно, если речь идет об использовании катализаторов, созданных на основе благородных металлов). Эта острейшая проблема касается тонкого органического синтеза, дающего необходимые молекулярные структуры для фармацевтики, биохимии, материаловедения, молекулярной электроники и ряда других областей. Многие разработки не находят практического применения, несмотря на все их преимущества, именно из-за дороговизны их получения. Поэтому так остро стоит вопрос создания эффективных и стабильных катализаторов, представляющих собой частицы металлов, нанесенных на подходящую подложку. Замечу, что именно каталитические реакции обеспечивают более 80 процентов химических процессов в промышленности. За три года, что действует грант РНФ, мы рассчитываем узнать много нового: как “работают” катализаторы, какие ранее неизвестные явления в них происходят и как из-за этого меняется их активность. Есть надежда, что в недалеком будущем, как из конструктора, ученые смогут собирать новые усовершенствованные катализаторы для проведения конкретных проектов.
О полученных результатах мы написали статью и направили ее в относительно новый, но уже хорошо зарекомендовавший себя американский журнал “ACS Catalysis”. Работу приняли, и ее анонс поместили на обложку. Интересно, что этот журнал существует всего четыре года. Обычно издания такого рода медленно, чуть ли не десятилетиями, завоевывают репутацию, а тут буквально сразу оно приобрело очень высокий рейтинг и стало первым в своей области. Время сейчас, повторюсь, такое, когда и исследования, и издательские проекты развиваются стремительно.

- Отзывы уже есть?

- Ноябрьский номер вышел совсем недавно, но отзывов поступило много. По электронной почте я получил массу положительных откликов буквально со всех концов мира. Пишут друзья, коллеги, просто читатели. Реакция достаточно бурная, поскольку наша работа заставляет по-новому взглянуть на хорошо известные всем катализаторы. Интересно вспомнить, как все начиналось. Когда я обсуждал идею с коллегами, они сказали: попытаться, конечно, можно, хотя мы и не очень верим, что из этого выйдет нечто толковое. Но надо же было, в конце концов, выяснить, что же там происходит! Если воспользоваться известным критерием — соотношением риска к успеху, получалось, что наш проект относился к рискованным. Но мы были абсолютно уверены в результате и не ошиблись: добыли новое знание, которое будет востребовано и в фундаментальной химии, и в прикладных работах.

Записал Юрий ДРИЗЕ
Фото Николая СТЕПАНЕНКОВА

Газета "Поиск", № 1-2(2015)