Наука крупным планом. Химия будущего

В России продолжается десятилетие науки и технологий, включающее в себя комплекс инициатив, проектов и мероприятий, направленных на усиление роли науки и технологий в решении важнейших задач развития общества и страны. В рамках нашего проекта “Наука крупным планом” мы продолжаем рассказывать о достижениях иркутских ученых. В частности, об одном из уникальнейших научных учреждений нашего региона. Это Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, который в прошлом году отпраздновал свое 65-летие.

За годы своего существования ИрИХ СО РАН внес значительный вклад в развитие фундаментальных основ, как современной химии, так и в разработку новых прикладных методик. Например, в институте созданы такие препараты, как Амидоксен – высокоэффективный нестероидный противовоспалительный, жаропонижающий, болеутоляющий препарат нового поколения из группы оксикамов; Ацизол – антидот против острого отравления смертельными дозами моноокиси углерода, а также эффективный антигипоксант при кислородной недостаточности; Кобазол – эффективный стимулятор кроветворения, повышающий общую и неспецифическую сопротивляемость организма; ПЕРХЛОЗОН® – высоко активный препарат по отношению к полирезистентным штаммам туберкулеза, успешно прошел клинические исследования и т.д. (подробнее см. https://www.irkinstchem.ru/developments).

Мы ранее уже бывали в Институте химии и вместе с д.х.н. Павлом Анатольевичем Волковым разбирались в вопросах создания новых молекул. А сегодня посетили лабораторию функциональных наноматериалов и познакомились с одним из наиболее сложных направлений современной науки, которое было бы неправильно относить только к химии. Скорее оно имеет междисциплинарный характер и занимает граничное положение между несколькими дисциплинами, а именно, химией, физикой, материаловедением, биологией и медициной.

Напомним, что наноматериалы или наноструктуры это некие объекты, размеры которых хотя бы в одном измерении лежат в диапазоне от 0 до 100 нм. Благодаря таким размерам наноструктурированные материалы обладают набором уникальных свойств (физических, химических, биологических и т.д.).

Экологичный и перспективный синтез

Знакомство с лабораторией начинаем с группы, занимающейся синтезом нанокомпозитов на основе природных полимеров – полисахаридов, о чем нам подробно рассказала ведущий научный сотрудник лаборатории Марина Зверева. Полисахариды, называемые также высокомолекулярными углеводами, являются неотъемлемой частью всех живых организмов, а их содержание в зависимости от вида может достигать 85 %. По своей химической природе полисахариды представляют собой очень длинные молекулы, состоящие из повторяющихся фрагментов моносахаридов. Наиболее известными полисахаридами являются целлюлоза, хитозан и крахмал. В этой лаборатории на протяжении уже нескольких лет успешно ведутся работы по изучению возможности использования природного полисахарида арабиногалактана для синтеза наноматериалов. Сам арабиногалактан является компонентом древесины лиственницы сибирской, представляет собой белый порошок с превосходной водорастворимостью, целым комплексом собственной биологической активности и ярко выраженной способностью стабилизировать поверхность наночастиц различной природы (благородные металлы, оксиды металлов, халькогениды металлов и элементные халькогены и др.) и способствовать сохранению их наноразмерного состояния в течение долгого времени.

То есть, задача ученых нашей группы синтезировать на основе этого вещества различные материалы, которые могут послужить человечеству в дальнейшем.

говорит Марина Зверева

Также следует отметить, что благодаря своей биосовместимости и водорастворимости синтез нанокомпозитов – материалов, сочетающих в себе и органическую полисахаридную матрицу арабиногалактана и неорганические наночастицы (например, серы, серебра, золота, селена или других элементов) проводится в мягких условиях – в водной среде, без сверхвысоких температур, давления и дорогостоящего аппаратурного оформления.

Все полученные наноматериалы в обязательном порядке проходят процедуры установления их состава и строения, а также тестированиях их потенциальных биологических свойств. Так, для полученных нанокомпозитов уже установлены их выраженные антимикробные, гепатопротекторные, антиоксидантные, иммуномодулирующие и др. свойства. Часть результатов включена в патенты РФ.

Все это фундамент в будущие открытия

Фундаментальная наука не приносит немедленных результатов. И наши ученые поражают как раз готовностью посвятить свою работу на благо будущего. Галина Александрова – ведущий научный сотрудник Института – несколько лет работает над получением соединений, на основе которых можно создавать лекарственные препараты против анемии. Получены хорошие результаты испытаний на подопытных животных. Наработки ученых могут пригодиться, если Минздрав начнет фармацевтические изыскания. Работа академических ученых на самом деле тем и отличается от многих других видов деятельности, что в первую очередь направлена на фундаментальные исследования. От момента находки какого-то научного решения того или иного вопроса до его внедрения в жизнь могут пройти десятилетия.

У каждого своя задача

Продолжаем знакомство. Анатолий Петрович Танцырев – занимается поляриметрией. Сложный термин, правда? Метод применяется для идентификации веществ, проверки их чистоты и количественного анализа находит широкое применение в анализе оптически активных веществ (чаще всего углеводов и антибиотиков).

Мы как раз работаем с углеводами – арабиногалактаном, галактоманнаном и др, а также аминокислотами,

– говорит Анатолий Петрович.

В лаборатории закуплен японский поляриметр, раньше использовался прибор еще времен СССР, производства ГДР, он отличался низкой чувствительностью, точностью и часто ломался.

Кроме того, Анатолий Петрович занимается одним из перспективнейших направлений современной синтетической нанохимии, а именно, механохимическим синтезом. Данный подход позволяет получать нанокомпозиции, на основе молекул биополимеров, например, полисахаридов, и наноструктур различных элементов через механохимическую обработку твердых смесей, без предварительного растворения каждого конкретного компонента и без необходимости проведения сушки целевого продукта.

В общем у каждого своя задача. Так, научный сотрудник лаборатории Анна Валерьевна Жмурова занимается вычислением среднего размера наночастиц и их распределением в нанокомпозитах. Это дополняет информацию о структуре получаемых материалов. А еще Анна исследует термические свойства различных нанокомпозитов. Важно определить температуру, выше которой материал теряет свою структуру (разлагается), а значит и свои свойства. Исследование термической стабильности нанокомпозитов, как правило, предваряет исследования различных свойств функциональных наноматериалов, например, термоэлектрических.

Анна Жмурова – молодой специалист, но она уже мечтает о том, чтобы в нашем Институте появилась возможность самостоятельно измерять термоэлектрические свойства нанокомпозитов, тем более, что синтетического потенциала в Институте предостаточно.

Своими руками

Все перечисленные выше работы были бы просто невозможны в отсутствии образцов полисахаридов, в частности арабиногалактана, особой степени чистоты. Словосочетание «особая степень чистоты» в химии это не фигура речи, а обозначение наивысшего класса степени очистки веществ. Соединения именно такого класса используются в нанохимических исследованиях. В противном случае будет сложно отличить какую часть образца можно отнести к целевому продукту, а какую – к примесным остаткам. В лаборатории функциональных наноматериалов наработкой необходимых количеств полисахаридов занимается ведущий инженер Людмила Иннокентьевна Антонова.

В основу метода положена запатентованная институтом методика. А аппаратно-техническое обрамление собрано и отлажено руками Людмилы Иннокентьевны.

Наноматериалы в органическом синтезе

Идем в следующую научную группу. Здесь исследуют каталитические возможности наноструктурированных материалов в процессах тонкого органического синтеза. Благодаря тому, что в наночастицах основная часть атомов расположена на поверхности, они являются уникальными носителями каталитически активных центров.

Напомним, что катализаторы – это вещества, которые инициируют или ускоряют химические реакции, при этом сами в них не расходуются. Применение катализаторов, как правило, значительно снижает затраты на проведение того или иного химического процесса, а в некоторых случаях вообще способствует реализации процесса, который по-другому нельзя провести в принципе.

Именно поэтому большинство промышленно ориентированных химических процессов – это каталитические процессы, а технология каталитического синтеза, как и технология создания катализаторов непрерывно совершенствуется. В силу чрезвычайно высокой реакционной способности наноструктур, в том числе и по отношению к кислороду воздуха, вся работа в группе проводится в безвоздушной среде, то есть либо в вакууме, либо в атмосфере инертных газов (аргоне или азоте). Конкретно сейчас проводятся исследования каталитического потенциала наноструктур на основе никеля или платины в реакциях гидрирования с переносом водорода молекул азот-содержащих гетероциклов. Сотрудники научной группы д.х.н. Титова Ю.Ю. и лаборанты-исследователи Гамаюнова А.Е. и Копылова А.О. предполагают таким образом получить синтетические аналоги природных соединений алкалоидов (перспективных биологически активных веществ, лекарственных препаратов и т.д.).

Древнее искусство на благо науки

А еще мы увидели, что в каждом отделе, в каждом помещении Института много, даже очень много, различной стеклянной или кварцевой химической посуды. Как вы думаете, где берут ее наши ученые? Вовсе не покупают, ведь в Институте химии работает своя стеклодувная мастерская, возглавляет которую Амбросов Владимир Николаевич.

Он трудится здесь уже больше 20 лет и может создавать необходимые ученым изделия не только из стекла, но и из кварца. Например, он делает, как пробирки длиной всего в три миллиметра, так и выдувает лабораторную колбу в пол литра.

К сожалению, в России не осталось учебных заведений, где специально готовят мастеров, специализирующихся на стеклянных или кварцевых изделиях для научных исследований. А институт, кстати, с удовольствием принял бы на работу пару мастеров – стеклодувов. Работа это не простая, но если заинтересуетесь – вас и научат всему и дадут дело на всю жизнь, которым точно можно гордиться, ведь таких специалистов по всей стране раз-два и обчелся. Приходите – не пожалеете!