Российские химики научились сворачивать графеновые листы в трубки. Об этом они сообщили в статье, опубликованной в журнале ACS Catalysis. Свое исследование ученые проводили при поддержке Российского научного фонда. «Лента.ру» поговорила об этом открытии с заведующим лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии (ИОХ) РАН Валентином Ананиковым.
«Лента.ру»: В своей работе вы описали процессы преобразования графеновых систем. Расскажите, пожалуйста, зачем это нужно.
Валентин Анаников: Согласно общепринятым международным дорожным картам, каталитические процессы органической химии имеют ключевое значение для повышения качества жизни человека, сохранения здоровья и развития передовых технологий XXI века. Здесь важны два аспекта. С одной стороны, речь идет о тонком органическом синтезе — науке и одновременно искусстве конструирования сложнейших молекул.
Эта область дает передовые лекарственные препараты, вакцины, биологически активные соединения, функциональные материалы нового поколения. Есть и много других ярких применений — там, где важна уникальность и сложность молекул.
Валентин Анаников в 1996 году окончил Донецкий государственный университет. Тогда же поступил в аспирантуру Института органической химии (ИОХ) имени Зелинского РАН. В 1999 году защитил кандидатскую диссертацию, а в 2003 году — докторскую. В 2008 году в возрасте 33 лет был избран член-корреспондентом РАН, став на момент избрания самым молодым членом РАН. В настоящее время руководит отделом в ИОХ РАН и лабораторией Санкт-Петербургского государственного университета, созданной на средства мегагранта.
С другой стороны, перед нами крупнотоннажные промышленные процессы, связанные с нефтепереработкой, производством топлива, получением сырья для химической индустрии, производством мономеров и рядом других отраслей. Цель — менее сложные органические молекулы, однако они требуются в огромных количествах, и тут ключевое значение придается эффективности их производства.
Что интересно, и в первом случае тонкой химии (малые количества уникальных веществ), и во втором случае крупнотоннажных процессов (огромные количества простых молекул) главную роль играют нанесенные катализаторы. Каталитические технологии служат основой большинства всех известных миру химических производств. Если представить себе, что человечество их лишится, то мы немедленно вернемся в каменный век.
Мы исследуем каталитические системы, которые представляют собой частицы металлов, нанесенные на поверхность специального носителя (отсюда и название — нанесенные катализаторы). Один из наиболее широко употребимых носителей — углерод. Он и был задействован в нашем исследовании.
Что такое графеновые системы и как они связаны с катализом?
Графен — это двумерный ультратонкий материал. Намного тоньше человеческого волоса, его толщина — всего один атом углерода. Несомненный интерес к потенциальным возможностям графена вызывает уникальная комбинация его физических и химических свойств, таких как теплопроводность, механическая прочность, контролируемая электропроводность, фотоактивность, реакционная способность и ряд других.
Чрезвычайно важна такая особенность графена, как его наноструктурная организация и способность объединяться в своеобразные многослойные структуры, что открывает богатые возможности для создания других углеродных материалов с требуемыми свойствами.
Углеродные материалы — универсальная матрица для формирования нанесенных каталитических систем. Частицы металлов, нанесенные на активированный уголь, графит, пористые углеродные материалы и гибридные углеродные системы — классика современного гетерогенного катализа. Исследователей давно занимал вопрос, как устроены такие каталитические системы и как на самом деле проходят важнейшие химические реакции на подобных металл-углеродных катализаторах.
Проблема в том, что «увидеть» химические реакции в столь сложных системах до недавнего времени было невозможно. Только в последние годы, после того как в наших лабораториях появились современные электронные микроскопы, масс-спектрометры и ЯМР-оборудование, мы смогли посмотреть, как живут молекулы.
Что удалось обнаружить в вашей лаборатории?
Считается, что в нанесенном металл-углеродном катализаторе углеродная матрица инертна, а в химической реакции участвует частица металла. Наши исследования показали, что это не так. Графеновые слои на поверхности углеродного материала активно взаимодействуют с частицами металлов и вызывают целый ряд трансформаций.
Оказалось, что нагретая микроволновым излучением частица металла с легкостью выжигает графеновые слои, формируя на поверхности сложную сеть «траншей». При изменении условий можно даже прожигать каналы внутри углеродного материала, создавая каналы во всем объеме. Третий тип процессов, который удалось обнаружить в инертной атмосфере, — образование массива углеродных нанотрубок, растущих прямо на поверхности металл-углеродного катализатора.
Нобелевский лауреат Роалд Хоффман (справа) в лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов ИОХ РАН и ее заведующий Валентин Анаников (слева)
Фото: zioc.ru
Как выяснилось, катализатор — не простая и статичная система, а, скорее, сложный «организм», видоизменяющийся и эволюционирующий со временем. От того, куда направлена эта эволюция, зависит эффективность работы и продолжительность жизни катализатора. А в конечном итоге именно эти параметры определят стоимость производства химических молекул, необходимых для человека.
Значит, углеродные трубки можно получать из плоского материала?
Да, это отличный вопрос! Как свернуть графен в углеродную нанотрубку? И, наоборот, как развернуть углеродную нанотрубку обратно в графен? Об этом сейчас много спорят. На практике для получения нанотрубок и графена реализованы обычные подходы, а такие способы «дизайнерского» создания углеродных трубок и слоев остаются мечтой экспериментаторов.
Создание графеновой трубки из графенового листа
Изображение: AnanikovLab
Наблюдаемые нами явления и проведенное теоретическое моделирование показали, что при определенных условиях (а именно, при незамещенных концевых атомах графена) процесс сворачивания листа графена в трубку становится термодинамически выгодным. С точки зрения металл-углеродных систем, такое превращение может иметь место путем нарезания графена на полоски, сворачивания полосок в кольца и дальнейшим ростом трубки за счет соединения колец. В таком процессе частица металла выступает как своеобразный молекулярный выжигатель. Эту идею мы тоже обсуждаем в нашей работе.
Когда подобные технологии придут в массовое производство?
В нашем случае наблюдается уникальный эффект от воздействия микроволнового излучения на металл-углеродную систему. Микроволновой нагрев позволяет за короткое время создать нужные условия и заметно упрощает процедуру.
Причем для реализации эксперимента вполне подходят микроволновые магнетроны, которые во множестве имеются в обычных, хорошо всем известных в быту микроволновых печках. Практическая реализация и разработка технологии вполне возможны в ближайшее время при наличии интереса со стороны производителя.
Кто, кроме вашей группы, в России и за рубежом занимается аналогичными экспериментальными исследованиями графена?
Это чрезвычайно конкурентная область современной науки. В последние годы количество работ по графену и другим углеродным материалам растет лавинообразно. Сотни оборудованных по последнему слову техники западных лабораторий, тысячи ведущих университетов по всему миру и целая мириада китайских ученых трудятся в этой сфере. Десятки интересных статей публикуются в научных журналах каждый день. Если нет своей идеи и уникальной разработки, то бороться за приоритет практически невозможно.
РНФ был создан по инициативе Владимира Путина и начал работу в 2014 году. По словам Валентина Ананикова, это ведущий научный фонд в России, который даёт адекватное финансирование ученым. Если бы не грант РНФ, свое открытие исследователи бы не совершили.
Кроме того, это довольно дорогая область современной науки, где требуется специальное оборудование и реактивы. До недавнего времени нам было чрезвычайно сложно работать ввиду отсутствия необходимого финансирования. Ситуация коренным образом изменилась в этом году, после того как в нашей стране указом президента был создан Российский научный фонд (РНФ). Нам удалось провести такое исследование только благодаря поддержке гранта РНФ. Сейчас финансирование со стороны РНФ позволяет достойно выступать на международном уровне многим коллективам в нашей стране.
Вы сталкиваетесь с преградами бюрократического характера? Что-нибудь мешает работать?
Что касается условий, то они в нашем институте (Институте органической химии Российской академии наук) превосходные, нерешаемых проблем бюрократического или административного характера нет. Институт активно реформируется в ногу со временем, модернизируется оборудование — для работы в науке сейчас самое интересное время.
Ключевая (пока нерешаемая!) проблема — это чудовищно низкая скорость поставки оборудования и реактивов из-за рубежа. «Обычный» для российских ученых срок поставки требуемых реактивов и материалов — один-два месяца. Для сравнения, средний западный ученый после заказа получает реактивы через несколько дней.
Как уже говорилось, конкуренция в современной науке очень сильная. И это неудивительно, ведь именно от передовых разработок и достижений фундаментальной науки зависит будущее страны, общие перспективы.
В вопросах публикации статей и приоритета счет идет на дни, и о какой конкуренции может идти речь, если приходится месяц или два просто ждать требуемый реактив? Такая ситуация может свести на нет даже те перспективы, которые открывают хорошее финансирование и гранты. Во всем мире действует система приоритетной поставки материалов для научных исследований, совершенно очевидно, что такая система должна заработать и у нас.
Как вы думаете, какие яркие открытия ждут графеновую науку в следующем году?
Графен изучается по двум параллельным направлениям — исследование фундаментальных свойств и, отдельно, изучение химических реакций для практического применения. В следующем году мы увидим яркие научные проекты по линии соприкосновения этих двух направлений. В междисциплинарных исследованиях, в которых уже назрела необходимость. Уверен, что мы не останемся в стороне!