Наука и технологии России

Вход Регистрация

В главной роли: Молекула

У химии богатое прошлое. Превращение одних веществ в другие завораживало наших предков с доисторических времён, а XX век с его антибиотиками, пластиками и органической электроникой стал моментом триумфа химической науки. Какое же тогда будущее её ждет? Историей о том, куда устремлены взгляды современных химиков, со STRF.ru поделился заведующий лабораторией Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН Валентин Анаников.

Валентин_Анаников
Валентин Анаников
Справка:
Валентин Павлович Анаников, д.х.н. В 1999 г. защитил кандидатскую диссертацию, в 2003 г. – докторскую диссертацию в ИОХ РАН, в 2008 г. был избран член-корреспондентом РАН и был самым молодым членом академии на момент избрания. Автор более 120 научных работ. В 2015 г. получил награду Thomson Reuters как самый активно-цитируемый химик нашей страны.

Валентин Павлович, по широте охвата тем и продуктивности Ваша лаборатория работает как небольшой институт. Расскажите, как вам удаётся сводить воедино всю эту деятельлность?

Это хороший вопрос. У нас действительно «на ходу» сейчас 6 тем, которые кажутся человеку непосвящённому очень разными и несвязанными друг с другом. У меня периодически спрашивают: «Почему у вас так много тем? Почему они такие разные? Не проще ли сконцентрироваться на чём-то одном?» На самом деле, всё, чем мы занимаемся, имеет некое общее направление. Мы пытаемся понять, как проходят химические реакции. Вы, кстати, как к химии относитесь?

Один из нелюбимых предметов был в школе.

Честный ответ – самый верный в подобной ситуации! Химия – предмет непростой. Примерно 90 % школьников его не любят, потому что не могут понять. Мало того, что он сам по себе сложен для восприятия, так его ещё тяжело преподают.

Химия уникальна тем, что обычный человек не в состоянии её выучить самостоятельно, в отличие от математики, русского или иностранного языка, литературы, и даже биологии.

Связано это с тем, что с одной стороны химия – это точная наука, и она оперирует молекулами, связями, геометрией, энергией. А с другой стороны, восприятие идет через химические формулы - это такие мнемонические картинки, которые дают упрощенное представление, не всегда точно передающее реальные природные процессы. Химические формулы, конечно, нужны, иначе мы вообще не представим ни одну реакцию. Однако, чем больше узнаёшь химию, тем больше понимаешь, что эти картинки – абстракция.

И ключевой вопрос сейчас – как на самом деле, а не на бумаге, проходят химические реакции? Наука почти подходит к ответу на этот вопрос и, кажется, что осталось ещё чуть-чуть! Этому способствует несомненный прогресс в развитии оборудования. Очень скоро мы сможем не только увидеть, как реакции на самом деле проходят, но и снять что-то вроде молекулярного кино: как молекулы сближаются, начинают ориентироваться и взаимодействовать, иными словами, как происходит химическая реакция.

Это один из самых интересных проектов в моей лаборатории. Все шесть тем, над которыми мы работаем, – попытка с разных сторон найти ответ на этот вопрос.

Химия должна оставаться точной наукой, несмотря на все мнемонические картинки химических формул.

Одна из тем в Вашей лаборатории – работа с ионными жидкостями, чем они интересны?

Ионные жидкости – это уникальная система, в которой заложено очень много фундаментальных научных знаний и есть потенциал практического использования. Эти вещества уникальны своей стабильностью: при высокой температуре – не разлагаются, в условиях вакуума – не испаряются (несмотря на то, что жидкие).

Обычно жидкости в условиях вакуума испаряются мгновенно. Скажем, под электронным микроскопом изучать жидкости почти невозможно, потому что, как только мы их туда помещаем, они мгновенно испаряются. Благодаря уникальной стабильности, именно в ионной жидкости мы сумели впервые пронаблюдать, что может происходить в химической системе.

Нам даже удалось снять видеоролик динамического поведения системы: как происходит самоорганизация, как двигаются и модифицируются наночастицы, и по этому поводу вышла статья в немецком журнале Angewandte Chemie.

Молекулярное кино

«Молекулярное кино» - это шаг на пути к получению достоверной информации о процессах с участием отдельных молекул, оно помогает ответить на вопрос, как на самом деле проходят химические реакции. До появления электронных микроскопов у учёных не было возможности проследить, как в действительности взаимодействуют отдельные частицы в момент реакции. Теория химического строения вещества – появившееся в конце XIX века учение о строении молекулы, описывающее все её характеристики, – давала общее представление о протекании тех или иных реакций, но наблюдать это не было возможности.

Формулы_молекул Сегодня химики пользуются пространственными формулами для описания молекул. Такое приближенное к реальности представление о молекулах стало возможно благодаря трудам Александра Бутлерова

Группа исследователей из лаборатории Валентина, которая исследовала конверсию биомассы в 5 гидроксиметилфурфурол (5-ГМФ,  химическое соединение-платформу, перспективную молекулу для современной промышленности) создала такой ролик при помощи сканирующей электронной микроскопии. Важную роль в работе сыграл молодой ученый – Алексей Кашин. Принципиальной задачей для химиков стало обеспечение сохранности изучаемого объекта в жестких условиях камеры электронного микроскопа, где при экстремально низком давлении жидкие вещества  моментально испаряются. С этим удалось справиться благодаря использованию ионных жидкостей на основе имидазола. В результате учёным удалось сделать не только снимки, но и видеоролики протекания полноценной многокомпонентной химической реакции конверсии биомассы: превращение фруктозы в 5-ГМФ и пронаблюдать эффект наличия воды в данной реакции. Удалось установить, что присутствие воды значительно влияет на структуру реагентов в растворе и коррелирует с наблюдаемой эффективностью химического процесса.

Поведение воды в ионной жидкости при воздействии электронным микроскопом: образовываются микроструктуры трёх различных типов:


1. При добавлении небольшого количества воды преобладают простые вкрапления


2. При добавлении большего объёма воды образуются частичко-подобные структуры с двухмерными вкраплениями


3. Если объём добавленной воды ещё увеличить, заметны как капли с вкраплениями, так и сеточные структуры

У Вас лично есть какое-то любимое направление?

Из этих шести нет, они у меня все любимые. А поскольку я вижу ситуацию сверху, для меня это единый комплексный проект.

Тут важно отметить, что когда человек только начинает научный путь, выбирает аспирантуру, у него должен появиться свой, индивидуальный, проект. Человек знает, что это его тема, над которой он работает и может добиться результатов. Поэтому собственные проекты абсолютно необходимы. А в лаборатории в целом, если мы хотим развить направление, жизненно необходимо взаимодействие и связи между темами. Так формируются интересные междисциплинарные проекты.

Каким был Ваш путь к созданию такой разносторонней лаборатории?

С самого начала моей учёбы, а потом и работы в Институте органической химии я развивал определённое направление. При этом в его рамках я менял темы так, чтобы изучать то, что мне интересно. В институте имеются уникальные условия для новых проектов: можно совершенно спокойно начать проект на новую тему.

Одна из проблем российских химиков заключается в том, что они нередко длительное время работают над одними и теми же темами. Очень часто бывает, что человек десятилетиями изучает одну известную реакцию или класс соединений. Это удобно, ведь если выбрать устаревшую и малоинтересную тему, то можно спокойно работать без конкуренции. Однако актуального и востребованного исследования таким путем не сделать. Нужно открывать новые направления, потому что наука не стоит на месте.

Пример – те же ионные жидкости.

Изначально ионные жидкости у нас были средой для проведения реакций. А сейчас, как выяснилось, можно на их основе делать лекарственные препараты: через пару недель после публикации нашего материала по способам доставки лекарств в ионных системах было озвучено независимое экспертное мнение, что система ионных жидкостей будет одной из платформ для фармацевтики.

То есть, интерес к этому направлению будет расти и в скором времени много лабораторий по всему миру приступят к активным исследованиям.

Валентин Павлович, существует мнение, что химия, как наука, уже себя изжила, и теперь это скорее способ производства.

Надо сначала определиться с ответом на вопрос, что же является предметом химии, и каковы возможности её применения. Я считаю,

химия – это все, где есть молекулы. Все живые организмы состоят из молекул, от глубин океана до далеких уголков Вселенной – молекулы есть везде. Поэтому химия, как наука, никогда не изживёт и не исчерпает себя, но в ней будут меняться интересы и направления работ.

К примеру, меняется упор на то или иное направление в государственных программах, в инновационном развитии, наконец, в финансирующих фондах. Скажем, сейчас не дают гранты по отдельным направлениям химии, именно поэтому некоторым ученым, особенно консервативным и привыкшим работать над какой-то одной реакцией, кажется, что химия, как наука, исчезает.

Но на деле

дают гранты по нанотехнологиям, по программе развития фармацевтики и новых материалов. Все эти программы базируются на органической химии, и фундаментальная наука никуда не денется.

Я смотрю в будущее с оптимизмом. Меня нисколько не пугает, а наоборот, радует, когда открываются новые направления. Если посмотреть, например, на Нобелевские премии по химии, то их дают по самым разным направлениям: за белки, за ДНК, за химические реакции, за катализ. И чем больше такого разнообразия, тем больше я радуюсь. Потому что все, даже нобелевский комитет говорит мне, что это тоже химия. Это моя наука, всё то, где я могу работать.

РЕЙТИНГ

4.33
голосов: 24

Обсуждение