Материалы будущего, которые мы заслужили

Евгений Александровкандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов, доцент кафедры общей и неорганической химии Самарского государственного технического университета, победитель Президентской программы Российского научного фонда

 

Современная наука опирается на предположение, что микроструктура определяет макросвойства.

Иначе говоря, то, каким образом атомы соединяются в материале, влияет на свойства материала.

Ярким примером материалов, которые можно конструировать, являются металлоорганические каркасы. Они были открыты совсем недавно — около 20 лет назад, — благодаря трудам Майкла О'Кифа и Омара Яги из США. В чем парадокс этих материалов? С химической точки зрения это просто соль, образованная органической кислотой и основанием какого-то металла. Но когда вещества соединяются, получается свободное пространство — ячеистая структура. Эти ячейки или поры обладают уникальным свойством: 1 г кристаллов имеет площадь поверхности, сравнимую с площадью футбольного поля. Такая скрытая сила имеется в этом необычном веществе!

Актуальное В Америке обнаружили огромные гравировки, созданные первобытными людьми В США проходят испытания самолета с рекордным размахом крыльев — видео Необычный пульсар «черная вдова» открыли астрономы недалеко от Земли

При этом их синтез достаточно простой. Мы берем два раствора, смешиваем, и в результате выпадают кристаллы. Этот процесс напоминает сборку конструктора Lego. Нужно лишь найти инструкцию, по которой мы соберем что-то интересное.

Сколько инструкций (или базовых сеток) мы можем придумать? Один из наиболее упорных и увлеченных коллекционеров таких инструкций Майкл О'Киф за пять лет смог собрать порядка 700. В нашем центре по теоретическому материаловедению мы создали свою экспертную систему, которая за несколько дней собрала порядка 90 000 таких базовых сеток, и теперь мы ищем, как эти инструкции применить в тех или иных областях.

Вот несколько примеров применения.

Генераторы кислорода

Вместе с ученым из Италии мы изучаем слоистые соединения. С их помощью мы стараемся воспроизвести процесс, который происходит в природе: высвобождение кислорода из растений. Мы вводим марганец в химическое соединение, похожее на хлорофилл, помещаем в пробирку, заливаем водой и выносим на солнце. При этом начинает выделяться кислород — его количество растет непрерывно. Беда в том, что такие катализаторы живут недолго — семь минут. Но если каждую молекулу поместить в отдельную ячейку нашего кристалла, то разрушения не происходит, стабильность увеличивается в 20 раз. Такой катализатор работает восемь часов. Чудеса!

Ловушки для углекислого газа

Поговорим о кристаллах, которые изменят наше будущее. Это микропористые губки — почтальоны и ловушки. Они способны улавливать CO2 даже в малой концентрации, когда он составляет всего 0,04% в воздухе. Есть два варианта, как справиться с выбросами: либо мы ловим углекислый газ прямо из трубы, либо на ветру. Вместе с китайской группой мы придумали способы сборки сотоподобных материалов, в которых имеются винтовые каналы, способные улавливать углекислый газ. Отличие материала в том, что его можно многократно растворить, постирать, снова кристаллизовать, и он будет как новенький.

Будущее водорода и бензина

Другой вариант будущего — переход на водородную энергетику. Водород не производит CO2 и дает в два раза больше энергии при сгорании. Было бы интересно использовать его в промышленности вместо ископаемого топлива. Но возникают вопросы: «Как его добыть? Как хранить? Как сжать, чтобы использовать?» Температура сгорания водорода очень высокая, он может вывести из строя двигатель внутреннего сгорания. Это самый легкий газ в мире, и, если мы хотим его сжать, требуется очень большое давление: в 800 раз больше, чем давление, в котором мы живем. Это взрывоопасно.

Поэтому нужны определенные материалы: катализаторы, которые позволяют получить водород, сорбенты-поглотители или ловушки — это такие молекулярные контейнеры, которые позволят собрать водород в маленьком пространстве, например в баллоне автомобиля. И еще нужен катализатор, который поможет водород окислить без взрыва, без высокой температуры.

Но где взять такие материалы? Решением могут стать наши микропористые губки: они впитают в себя водород, и давление мы можем использовать уже не 800 атмосфер, а 70 или 90, и температура будет комнатная — +25 °С, а количество водорода потребуется то же самое.

Но пока от бензина мы никуда не ушли. И в этой сфере мы тоже развиваем новые материалы. Бензин АИ-95 отличается от АИ-92 тем, что в нем находятся более разветвленные молекулы. При их разделении в химпромышленности сжигается 15–30% бензина. А мы предлагаем ничего не сжигать, а просто просеять молекулы, как песок, через молекулярное сито. Мы нашли металлоорганические каркасы с такими ячейками сита, которые позволяют отсеивать большие молекулы от маленьких.

Вода из воздуха и сбор йода

Интересное решение было найдено Омаром Яги после того, как он пожил в пустыне. Из пористого материала, который впитывает влагу из воздуха, он создал установку, которая может получить 2 л питьевой воды за сутки из сухого воздуха. Позже с инженерами MIT эту установку усовершенствовали, и теперь 1 кг такого поглотителя может улавливать 100 л воды за сутки.

При определенной сборке каркасы обладают дышащими свойствами, или эффектом набухания. Так, кристалл увеличивается в шесть раз, поглощая молекулы йода. А молекулы йода являются одним из продуктов радиоактивного распада ядерной бомбы. Мы живем в мире, где уже никуда не деться от атомной энергетики, и это свойство также может быть полезно для очистки загрязнений.

Спасение от рака и доставка лекарств в клетки  

Другая опасность, которая нас подстерегает, — канцерогены. Например, дихромат калия и бензол. Это такие молекулы, которые встраиваются в наш геном и, разрушая ДНК, приводят к раковым заболеваниям. Клетка сходит с ума и начинает бесконтрольно размножаться. В США была история, когда одна компания допустила утечку дихромата калия в почву и грунтовые воды, и вскоре в ближайших населенных пунктах повысилось количество онкозаболеваний. Чтобы подобного не происходило, нужно очищать почву и воду от загрязнений.

Вместе с профессором из Китая мы предложили вариант каркаса, который в считаные минуты способен удалить дихромат калия из раствора. Мы можем также обнаружить с помощью специальных электропроводящих каркасов, присутствует канцероген в воде или нет.

И последнее приложение, которое мы сейчас развиваем в Самарском медицинском университете, — это доставка лекарств в клетки. Обычно лекарства не только убивают раковые клетки, но и вредят здоровым клеткам. Но если поместить лекарство в оболочку, оно пройдет через мембрану гораздо быстрее и легче, а значит, нам можно уменьшить количество лекарства, что снизит вред для организма. Высвобождение лекарства происходит только в больных клетках, потому что там повышенная кислотность, что приводит к растворению оболочки. В итоге лекарство выходит там, где оно больше всего нужно, и действует так, как нам бы этого хотелось.

Обычно от разработки идеи до практического приложения проходит около 20 лет. Сейчас наука пытается сократить этот путь. В этом нам помогает моделирование и возможности искусственного интеллекта.

Подробнее смотрите на канале «Наука» в выпуске «Материалы будущего».

Прочнее стали: химики создали пластик, считавшийся невозможнымБелАЗ: как делают самый большой карьерный самосвал в мире? Как нулевые результаты исследований двигают науку вперед