На графеновой волне. Модифицированный углерод преподносит сюрпризы создателям нанокатализаторов.

— Действительно, после присуждения Нобелевской премии Андрею Гейму и Константину Новоселову графен удостоился колоссального внимания, — говорит Валентин Павлович. — В мире опубликованы, без преувеличения, десятки тысяч статей, описывающих его удивительные свойства и огромные возможности для использования в самых разных областях науки и техники. Причем пик популярности отнюдь не пройден. И это при том, что модификация углерода толщиной всего в один атом — материал эфемерный и для практических целей, в частности в химических исследованиях, вообще недоступный. В индивидуальном виде мономолекулярный слой углерода нестабилен и агрегирует в крупные частицы или трансформируется в другие соединения. Неудивительно, что вместе с восхвалением диковинного материала нередко слышатся и критические высказывания. 

Тем не менее лично мне кажется, что от всего этого шума есть и польза: графеновая волна вновь всколыхнула интерес к углеродным материалам. Во­оружась новым знанием и современным оборудованием, ученые стали изучать возможности приложения хорошо известных углеродных материалов, например графита, углеродных нанотрубок, нанокластеров углерода и всевозможных гибридных систем. (Тот же графит — это бессчетная масса графеновых листов, правда, обладающих несколько другими свойствами.) Это приносит неожиданные результаты, открывает оригинальные направления химии. Считаю, что именно в этом и есть польза от мировой популярности графена. 

Теперь что касается главного направления исследований нашей лаборатории — создания гетерогенных нанокатализаторов, когда наночастицы металла, скажем палладия, никеля, золота наносят на поверхность углеродного материала. Это классический пример применения катализа в органическом синтезе, известный науке и промышленности уже много десятилетий. В мире ежегодно производят тонны подобных нанокатализаторов. Одна из самых распространенных сфер его использования — тонкий органический синтез. Катализаторы необходимы для получения лекарств и новых материалов для высокотехнологичных отраслей. Известна и голубая мечта химиков: сделать катализатор еще более эффективным и дешевым, добиться, чтобы его можно было использовать повторно, а отходы химпроизводства не загрязняли окружающую среду. Так изучение углеродных материалов стало магистральной темой развития катализа, получившей мощный импульс, вызванный появлением графена. 

— По целому ряду причин сделать наноразмерный катализатор, в котором частички металлов нанесены на идеальную графеновую поверхность, оказалось невозможным. Как была мечта получить “сверхкатализатор”, так она и осталась. Но здесь важно другое. Пока мы пытались его разработать, нам удалось развить совершенно новую область исследований. 

Три года назад наша лаборатория — а это достаточно большой коллектив молодых сотрудников, аспирантов и студентов — получила грант Российского научного фонда (РНФ) на исследование графена и других углеродных материалов для решения актуальных химических задач. Сейчас грант заканчивается — пора подводить итоги “проделанной работы”. Скажу сразу: грант имеет очень большое значение для нашей лаборатории. Начав по сути с нуля, за это время мы развили новую область и получили неплохие результаты, о чем сообщили в серии статей, опубликованных ведущими журналами и по достоинству оцененных коллегами по всему миру. Знаю, что еще несколько проектов по этой тематике также были поддержаны фондом. 

После трех лет исследований нам удалось, скажем так, изменить концептуальное восприятие химических реакций для сложных графеновых систем. Даже небольшая молекулярная система углеродных материалов содержит тысячи атомов. Это очень сложные структуры: составить их формулу, даже записать, как они выглядят, — задача вряд ли выполнимая. Традиционные методы, представляющие молекулы в виде простых, двумерных или “плоских” формул, в данном случае не работают. И мы не стали искать пути, как упростить подобные химические системы. Сегодня мы исследуем в трехмерном пространстве сложные молекулы и целые системы такими, какие они есть. Как бы их фотографируем, более того, на современном микроскопическом оборудовании пытаемся снять “видеоролики”, объясняющие, как проходят химические реакции. Так нам впервые стало доступно таинство химических реакций, теперь они видны как на ладони. Это шаг вперед, новый уровень восприятия химических процессов. 

Следующий этап. Сегодня мы точно не представляем, как работает гетерогенный катализатор, поэтому не знаем, какой параметр в первую очередь нужно изменить, чтобы повысить его эффективность. Фактически приходится действовать вслепую — “методом тыка”. Все равно что пытаться улучшить конструкцию автомобиля, хотя в глаза не видел его “начинку”. Теперь же, благодаря современной аппаратуре, мы наблюдаем, как молекулы ориентируются в пространстве, как приближаются друг к другу, что между ними происходит — открываются недоступные ранее секреты химической реакции. Появляется возможность определить “ключевую характеристику” катализатора, выяснить, что необходимо модернизировать, чтобы повысить его КПД. Стало понятно, почему мы получаем разные результаты, хотя проводим похожие реакции. Оказалось возможным выявить важнейшие параметры, увеличить стабильность работы катализатора.

Больше того, составить “рецепт” гетерогенного нанокатализатора (с использованием палладия и доступного углеродного носителя, даже самого дешевого графита) сегодня можно без сложной предварительной подготовки, буквально за пять минут. Это по силам и студенту с гарантией, что получится универсальный и дешевый катализатор для тонкого органического синтеза. Не скрою, мы испытываем большое удовлетворение от завершенного труда. 

И вот что важно. Для создания подобных веществ графен, подчеркну, нам вовсе не понадобился. Как я уже говорил, его с успехом заменяют самые разные формы углерода. Но эфемерный материал свое дело сделал: вызвал бурю в научном мире, заставил произвести многочисленные исследования и получить новые фундаментальные знания. 

Расскажу еще об одном чрезвычайно интересном и перспективном явлении, как точно трактовать которое мы пока не знаем. Во время моделирования мы установили, что особые формы углерода даже без наночастиц металлов обладают — внимание! — каталитической активностью. Углерод, который мы всегда считали всего лишь носителем, необходимым для приготовления катализаторов, может играть самостоятельную роль. Открывается новая область химии, которую можно назвать “карбокатализ”. То есть катализ углеродными частицами без участия металлов. О всех его достоинствах говорить еще рано, однако ясно, что он может в сотни раз удешевить создание нанокатализаторов, если будет, конечно, обладать высокой эффективностью. 

— Создание нанокатализаторов — необычайно востребованная область науки, исследования в этой области проводит масса лабораторий по всему миру. Мы все друг друга знаем, переписываемся, встречаемся на конференциях… Статьи по разным областям этого перспективного направления выходят буквально каждый день. И первое, что я делаю, когда утром прихожу на работу, — включаю компьютер и смотрю, что появилось нового. Сегодня это передний край науки — и конкуренция здесь достаточно жесткая. Стоит промедлить с публикацией хотя бы на неделю-другую — и может статься, что твою статью не примут — она уже успела устареть. У нас таких случаев пока не было: мы не отстаем от коллег и идем с ними вровень. Но жесткий прессинг ощущается постоянно.

— Ответ, увы, отрицательный. Когда я выступаю с докладами на международных конференциях, ко мне очень часто подходят представители крупных зарубежных фармкомпаний. Нередко они приглашают меня прочесть лекции перед своими сотрудниками. Слушают очень внимательно, конспектируют, задают уйму уточняющих вопросов… Знаю, что они пользуются нашими опубликованными материалами. Да они и сами говорят, что работы лаборатории ИОХ, хотя это глубокие фундаментальные исследования, помогают им разобраться, навести порядок в их каталитическом хозяйстве. И это понятно: ведь современные препараты — цепочка сложных больших молекул, которые синтезируются с помощью нанокатализаторов. Приятно, что добытое нами новое фундаментальное знание востребовано, что его стараются использовать для практического применения. Обидно другое: не припомню случая, чтобы среди тех, кто хватал меня за рукав после лекции, был хотя бы один сотрудник наших фармацевтических компаний. 

— Считаю, что полновесные гранты РНФ предопределили успех многих коллективов, ведущих фундаментальные исследования. И если мы хотим выдержать конкуренцию, то должны все время двигаться вперед. Поэтому обязательно будем подавать заявку на новый грант. Он необходим нам для разработки катализаторов не только с применением частиц металла, но теперь и без них. Еще очень важно, на мой взгляд, чтобы гранты, поддерживающие новые направления науки, предусматривали и практическое применение разработок. Но, наверное, это зависит от того, насколько они будут востребованы.

— Она необычайно ими увлечена. Во многом это объясняется тем, что молодые сотрудники значительное число операций выполняют самостоятельно: например, синтез катализаторов, проверку их химической активности, причем механизмы реакций они изучают с помощью электронного микроскопа. При увеличении в сотни тысяч раз прекрасно видно, что происходит с наночастицами, как они участвуют в реакциях… Ощущение непередаваемое! Это, считаю, самое важное: так возникает увлечение наукой.