Сырье для новейших материалов создает сама природа
Представьте себе дом, стены которого сами начинают охлаждать комнаты, когда становится слишком жарко, накапливая тепло и отдавая его, когда температура понизится, и все это без дополнительных энергетических затрат. Или операционный зал в клинике, где актуальная проблема обеспечения стерильности помещения решается окраской стен. Или корабль, днище которого после дальнего плавания почти не зарастает ракушками, хотя сейчас, по данным экспертов, при подготовке судна к новому плаванию на очистку от них в доках уходят до 40% затрат.
Все эти примеры могут показаться чем-то из области фантастики. Но все вполне реально. Эти и другие не менее удивительные вещи становятся возможными благодаря умным материалам. Над их созданием работают ученые из лаборатории наноструктурированных материалов с управляемыми свойствами Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) им. И.М.Губкина (Губкинского университета) при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Проект «Дистанционно-контролируемые наноструктурированные покрытия для медицины, морских сооружений и энергетики» в 2019 году победил в конкурсе по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными. Руководит лабораторией ученый мирового уровня, кандидат химических наук Дмитрий Щукин, постоянно работающий в Ливерпульском университете (Великобритания). Грант выигран им совместно с профессором Владимиром Винокуровым, заведующим кафедрой физической и коллоидной химии Губкинского университета (на снимке). Лаборатория, конечно же, выросла не на пустом месте, а на крепком фундаменте научных разработок и идей, которые обе стороны — и британская, и российская — накопили за последние годы.
Первая Школа молодых ученых «Наноструктурированные материалы с управляемыми свойствами», прошедшая осенью в рамках этого проекта, открылась пленарными докладами ведущих специалистов и продолжилась серией молодежных сообщений. Выступление Д.Щукина было посвящено некоторым результатам исследований, которые он ведет в Ливерпульском университете. Ученый рассказал о создании активных поверхностей на основе наноконтейнеров и их использовании для сохранения тепловой энергии и получения покрытий, препятствующих биообрастанию кораблей. Основная идея такова: создать наноконтейнеры или нанокапсулы, внутрь которых можно помещать вещества с различными свойствами, — средства против коррозии, против обрастания ракушками, специальные фармакологические агенты для системы доставки лекарств и т. д. Главная задача — найти для оболочки такой материал, который был бы чувствителен к различным внешним воздействиям: изменениям водородного показателя среды (PH), электрического потенциала, уровня освещения, температуры. Нанокапсулы необязательно должны быть круглыми, они могут быть и вытянутыми, то есть очень хорошо для этой роли подходит нанотрубки, но их нужно чем-то закрыть. Вещество нанокапсул или «затычек» нанотрубок реагирует на изменение определенной характеристики окружающей среды и постепенно в течение продолжительного времени разрушается, высвобождая заключенный внутри действующий реагент. Полученный порошок или эмульсию из таких микрокапсул можно добавить в краску или бетон, использовать как порошковое покрытие и т. д.
Например, чтобы получить нанокапсулы для сохранения энергии, в них помещают вещества, которые при определенной температуре переходят из твердого в жидкое состояние и наоборот, поглощая либо выделяя тепло (иными словами, используется теплота фазового перехода). Добавка таких нанокапсул в краску позволяет сглаживать суточные колебания температуры в помещении на 10-15 градусов. Капсулы группа Д.Щукина создает из полимеров на основе углеродных нанотрубок, а также галлуазита. Это, по сути, обычная глина. Оказывается, огромный потенциал скрыт в материалах, глядя на которые мы бы и не подумали о том, что они имеют отношение к нано.
— Те многочисленные нанообъекты, которые изучаются научными коллективами во всем мире, — графен, фуллерены, углеродные нанотрубки и т. д. — только малая часть айсберга из тех нанообъектов, что создала природа в ходе эволюции, — так начал свой доклад В.Винокуров. — Прежде всего это галлуазит, цеолиты и другие минералы. Но есть еще один природный материал, источник наночастиц — целлюлоза, основной биополимер, который нас окружает. Прирост целлюлозной биомассы составляет ежегодно 1,3 на 1012 тонн. Это очень много! Объемы воспроизводимых нанообъектов в природе на много порядков превышают возможности синтетической химии. Нанокристаллическая целлюлоза, которая получается после специальной обработки древесины, по сравнению с традиционными полимерами обладает целым рядом преимуществ: у нее более высокие механические характеристики и термостойкость, а главное — полная биоразлагаемость и практически идеальная биосовместимость с живыми организмами.
Уже после окончания работы Школы мы снова встретились с профессором В.Винокуровым. По его словам, с серьезными задачами, связанными с использованием природных наноматериалов в различных отраслях, губкинцы столкнулись еще в ходе выполнения проекта по первому мегагранту, в работе с профессором Гарвардского университета Львом Перельманом. Потом тот же коллектив выиграл второй мегагрант — с профессором Университета Луизианы Юрием Львовым: исследовали образование металлических кластеров в нанотрубках галлуазита.
— У углеродных нанотрубок — масса недостатков, — объясняет В.Винокуров. — Они синтетические и дорогие, порядка 100 долларов за грамм, они не биосовместимы, их нельзя использовать в катализе, так как они не выдерживают высокие температуры. Галлуазит — их природный аналог. Очень много его добывают в США, Китае, Новой Зеландии, Турции. В рамках нынешнего гранта РНФ, хоть это и не было заложено в наши планы, мы намерены выйти на разработку недавно открытого отечественного месторождения галлуазита, чтобы использовать в исследованиях не американские нанотрубки, которые мы сейчас из-за санкций получаем с трудом, а наши. Уже поступили первые образцы.
Природные наноматериалы крайне привлекательны: они стабильны, выдерживают очень высокие температуры, облучение, давление. У них огромная механическая прочность и громадные перспективы использования, над которыми мы и работаем в рамках нашего проекта. Природные нанотрубки — прежде всего армирующий материал, придающий механическую прочность любым композитам. Их можно заполнять биологически активными веществами, лекарствами. Мы научились модифицировать эти трубки снаружи и изнутри. Галлуазит позволяет очень медленно выделять вещества, помещенные внутрь его нанотрубок. Если типичный противораковый препарат, который быстро растворяется и поэтому через полтора часа выводится из организма, поместить внутри галлуазитных трубок, то время вывода увеличивается до 24 часов. Лекарство дольше действует, значит, для того же терапевтического эффекта достаточно меньшей дозы и не наносится вред здоровым клеткам.
Очистка корпусов в доках от ракушек — большая проблема, особенно актуальная в связи с освоением Северного морского пути. Летом один из наших сотрудников на ледоколе изучал воздействие внешних условий на наши материалы. Мы провели первые исследования, сейчас обобщаем результаты. Такая работа проведена впервые. С этого, собственно, начался наш проект.
Д.Щукин применяет галлуазит в борьбе с резистентными микроорганизмами, используя его для инкапсулирования действующего реагента. Мы идем немного другим путем — применяем для тех же целей наноцеллюлозу.
На столе — опытный образец, тонкий полупрозрачный лист, похожий на пересохшую кальку.
— Пленку мы получаем просто: с помощью пульверизатора на стене создаем тонкий слой из наноцеллюлозы и сушим обычным феном, — продолжает профессор. — Очень интересный материал, который работает как матрица. Наносим на пленку так называемые квантовые точки — это полупроводниковые материалы, обладающие свойством флуоресценции. Размер точек — несколько нанометров. При воздействии фотонов в них генерируются положительно и отрицательно заряженные частицы, благодаря чему материал получает способность на свету окислять и восстанавливать различные соединения, в том числе и органические вещества. Если сделать из такого материала обои на стену, то при освещении они будут убивать микробов. Мы ставили эксперимент — оказалось, что даже самый злостный госпитальный микроорганизм — золотистый стафилококк — очень эффективно уничтожается от света обычной лампы.
Есть такой журнал — «Бюллетень японского химического общества». Так вот однажды его номер вышел с графическим абстрактом нашей статьи на титульном листе: силикатная нанотрубка и два баскетболиста. У одного, забрасывающего мяч внутрь трубки, — эмблема Губкинского университета, другой, с эмблемой Университета Луизианы, изображен со сварочным аппаратом, готовился «заварить» вход в трубку. Сначала было создано такое антибактерицидное покрытие на галлуазите, теперь разрабатываем его на наноцеллюлозе. Перед нами стоит задача научиться его делать более эффективно и технологично, исследовать различные материалы для создания квантовых точек, чтобы они были нетоксичны, биосовместимы и т. д. Наши результаты позволяют надеяться, что лет через пять такие антибактерицидные обои или краски можно будет использовать. Быстрее (с нашими скоростями внедрения) сложно.
По другому направлению проекта — созданию термоаккумулирующих материалов — губкинцы также идут своим путем, параллельно с Д.Щукиным. Тот работает с материалами, инкапсулированными в полимерной матрице, но из-за высокой стоимости полимеров получается достаточно дорого. Губкинцы той же цели добиваются, используя наноцеллюлозу, и тоже уже есть интересные результаты. Например, сера при температуре 113 градусов плавится, становится жидкой. Но если порошок серы смешать с наноцеллюлозой, играющей роль матрицы, такой материал можно нагревать до 160 градусов: сера очень тонкой пленкой выходит на поверхность и уходит обратно при охлаждении, образец нагревается, но форма его не меняется. То же происходит и с пленками, которые на 80% состоят из серы, остальное — наноцеллюлоза. Это уже готовый материал, обладающий свойствами термоаккумулятора, то есть при нагревании он тепло забирает, при охлаждении отдает.
Коллектив, который участвует в этом проекте, — междисциплинарный. Есть и микробиолог, и биотехнолог. Кроме того, он объединил ученых из университетов других городов и стран. За годы исследований накопилось много зарубежных партнеров: Королевский технологический институт в Стокгольме, американские университеты Гарварда, Луизианы, Мэриленда, в Великобритании — университеты Лидса, Ливерпуля, Ноттингема. Широкая география и по России: Новосибирск, Саратов, Казань и Челябинская область, где идет разведка галлуазитов.
Поскольку помимо гранта РНФ есть еще и другие проекты, и хоздоговорные темы научный костяк группы сохраняется, а молодежь меняется. Обязательно приходят студенты, остаются аспиранты, защищаются кандидатские диссертации. В.Винокуров упомянул, что статьи ученых кафедры составляют примерно 30% публикаций в WоS и Scopus всего университета и во многом это достигнуто благодаря тематике, связанной с использованием галлуазита.
— Что дал вам грант РНФ? — спрашиваю в завершение разговора В.Винокурова.
— Для нас очень важно, что благодаря этим средствам мы можем пригласить трех постдоков — молодых ученых, уже сложившихся, которые могут возглавить свои направления, — отвечает профессор. — Например, у нас остро не хватало специалистов в области биомедицины. Сейчас пришел Денис Воронин из Саратова — с международным опытом, свободным знанием английского, сам пишет статьи.
— Удивительно, какое отношение биомедицина имеет к нефтегазовому университету?
— В порядке собственной инициативы мы начали работать с Центральным институтом травматологии и ортопедии: изучаем биосовместимость наноцеллюлозы, возможность ее использования для лечения костей и суставов. Результаты очень многообещающие. Мы сотрудничаем с Пироговским университетом: одна из их клинических больниц готова использовать наши материалы в качестве бактерицидных повязок. В процессе исследований мы затрагиваем многие области, не связанные напрямую с задачами нашего гранта. Это как круги на воде, без них невозможно работать в науке. Всегда какое-то одно открытие тянет за собой массу других.
Наталия Булгакова
Нет комментариев