Аэрогели представляют собой легкие высокопористые материалы с уникальными свойствами. Благодаря низкой плотности и теплопроводности, сочетающимся с высокой твердостью и прозрачностью, аэрогели перспективны для изготовления теплоизоляционных материалов, а также материалов для различных медицинских целей. Как с помощью аэрогелей можно ловить звездную пыль и останавливать кровотечения? Почему самая эффективная теплоизоляция получается из аэрогелей и как ученые смогли запустить такое производство? Что такое сверхкритическая сушка? Рассказывает Наталья Васильевна Меньшутина. 

Название изображения

Наталья Васильевна Меньшутина — профессор, доктор технических наук, руководитель Международного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева.

— Аэрогели называют застывшим дымом. Насколько эта метафора справедлива? И что собой в действительности представляют аэрогели?

— Да, действительно, аэрогель — это новый класс материалов, которые иногда сравнивают с застывшим дымом, поскольку это необыкновенно легкий материал с высокопористой структурой. Плотность материала достигает трех килограмм на метр кубический. А внутренняя поверхность — примерно тысячу квадратных метров на 1 грамм. То есть фактически, разворачивая один грамм аэрогеля, мы можем покрыть футбольное поле.

За счет чего достигается такая пористая структура и большая площадь внутренней поверхности? Аэрогель создается с помощью золь-гель технологии получения пористых или монолитных химических продуктов, а также сверхкритической сушки. Сверхкритическая сушка — это процесс удаления жидкости точным и контролируемым способом, совершенно новая технология, которая зародилась в конце ХХ века и активно развивалась с 2000-х годов. В процессе создания аэрогеля используется, как говорят специалисты, сверхкритический флюид. Иногда его называют четвертым состоянием вещества. Сверхкритические флюиды обладают свойствами как газа, так и жидкости. Подобные смешанные свойства позволяют создавать уникальные материалы, в том числе сохранять пористую структуру при создании аэрогеля.

Отмечу, что при обычной тепловой сушке или любой другой обработке материалов пористая структура как бы схлопывается. Вспомните сушеную дольку яблока — она вся сморщенная за счет того, что при тепловой обработке все поры, заполненные жидкостью, схлопываются. Если же мы будем сушить кусочек яблока в сверхкритической сушке, то оно останется таким же, как если бы мы его только что отрезали от яблока.

Пористая структура аэрогеля образована молекулярными кластерами или глобулами. Размер глобул составляет около четырех нанометров. Если при создании аэрогелей используются полимеры природного происхождения, то тогда мы получаем волокнистую структуру. В аэрогелях поры имеют размер от 2 до 50 нанометров. Можно добиться узкого распределения пор по размерам, что важно для решения широкого спектра задач.

Итак, аэрогель — это необыкновенно пористый и легкий материал.

— На основе каких веществ создаются аэрогели?

— Существуют три типа аэрогелей. Первый тип — неорганические аэрогели: аэрогели из диоксида кремния и аэрогели из оксидов металлов (алюминия, титана, стронция). Иногда аэрогели создают исключительно из металла, получая так называемую «металлическую пену».

Второй тип — органические аэрогели, в том числе из полимеров. Очень часто используются полисахариды, природные полимеры, особенно при фармацевтическом производстве или для создания материалов медицинского назначения. Существуют органические аэрогели, созданные, например, из формальдегида. Они используются в Германии для решения задач, связанных со строительством.

Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г

Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г

Источник: Courtesy NASA/JPL-Caltech / Wikipedia

И третий тип — это гибридные аэрогели, при создании которых используют и органику, и неорганику. Например, аэрогели на основе кремния со встроенными углеродными нанотрубками. При таком сочетании мы получаем высокопористый материал с достаточно жестким каркасом, который можно использовать для сорбции или фильтрации различных газов и паров.

— Историю происхождения аэрогелей часто связывают с Самюэлем Стивенсоном Кислером, который в 30-е годы опубликовал статью в Nature, где представил свою концепцию. Он потратил немало лет, чтобы найти некую идеальную формулу. Чего удалось достичь последователям ученого?

— Действительно, Кислер представил идею в 1931 году. Первые производства появились в 40-х годах прошлого века в США. Это было производство компании Monsanto Chemical Co. в Бостоне. Сушка проводилась с использованием сверхкритических спиртов — крайне опасных составляющих. Это и привело к  взрыву на предприятии в 1984 году. Однако современная более безопасная реализация процесса с использованием сверхкритического диоксида углерода появилась только в 90-х годах. Таким образом, около 60 лет научное сообщество искало эффективные и безопасные методы производства аэрогелей. Технология была и остается достаточно сложной. Первое время ученые не понимали, что собой представляют сверхкритические флюиды и как с ними работать.

Сегодня аэрогели производят в США (компания Aspen), в Германии и Китае. Кстати, американские и китайские коллеги судятся и по этому вопросу, поскольку Китай, очевидно, использует американские патенты.

Наша страна пошла своим путем. Отечественное опытное производство запустилось на заводе в городе Щелково с помощью Минпромторга. Сегодня там выпускают до 10 тысяч м2/год аэрогеля в виде рулонов. Поскольку материал очень легкий, то и производство достаточно большое.

Где применяются аэрогели?

— Чаще всего аэрогели используются в качестве теплоизоляции. Теплоизолирующие свойства аэрогелей очень высоки, постольку материал заполнен воздухом, который плохо проводит тепло. К тому же воздух хороший диэлектрик.

Наиболее актуальный пример — теплоизоляция газопровода на территории Европы. Чтобы сохранить температуру газа, трубопровод оборачивают американским аэрогелем. Пока аэрогели можно считать дорогостоящим материалом. Но я надеюсь, что российские предприниматели будут активней покупать отечественные аэрогели, а наше производство заработает в полную силу для обеспечения рынка.

Помимо этого, аэрогели можно использовать как подложку для катализаторов. Это направление активно развивает Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук в Новосибирске. Пористая структура аэрогеля позволяет улавливать или сорбировать различные частицы и газы. Так, специалисты из Института катализа создали ловушки для космической пыли в рамках американского космического проекта.

Например, мои коллеги из Гамбургского технического университета создали фильтры для самолетов компании Airbus. Забавный факт: в основном воздух в салонах самолетов очищается от спиртовых паров.

На сегодняшний день аэрогели пытаются использовать для медицинских и фармацевтических целей. В фармацевтике аэрогели применяются для создания системы доставки лекарственных препаратов, особенно труднорастворимых. Один из проектов, который сейчас реализуется под руководством ректора РХТУ Александра Георгиевича Мажуги, связан с доставкой лекарственных препаратов в мозг. Мы создаем ингаляторную форму — это фактически сухой аэрогель в виде спрея. Активное вещество осаждается в носоглотке и постепенно доходит до мозга. Этот вариант доставки лекарств активно исследуется как в нашей стране, так и в Китае, и в других странах.

Также совместно с нашими коллегами мы сделали аэрогель для остановки массивных артериальных и венозных кровотечений. Суть метода в том, что аэрогель помещается в рану, и, в отличие от существующих средств, он не обжигает ткани и не проникает в кровяное русло. Создается сгусток крови, после чего кровотечение останавливается (при определенных методиках) буквально за одну минуту. Очень надеюсь, что в этом году начнется производство.

— То, что вы рассказали очень впечатляет. Словно это какая-то химическая магия: зная свойства определенных материалов, можно достичь таких интересных результатов.

— Я бы сказала: химическая и технологическая магия. Все-таки современные технологии не менее важны. Как и специалисты. Молодые ученые, которые со мной работают, — хорошие технологи; они понимают, как те или иные методики будут представлены непосредственно на производстве. В нашей работе чрезвычайно важно перенести знания из пробирки на завод, осуществить качественный трансфер технологии: из лаборатории — в промышленность.

Проведение реакций или сверхкритическая сушка в малом объеме — это один момент. Но когда мы переходим на большие производства — там всё по-другому. Мои сотрудники и студенты моделируют, проводят расчеты и выдают необходимые данные для проектирования. А при закупке оборудования мы осуществляем пуск и наладку техники. Поэтому для нас значим не только химический, но и технологический аспекты.

Название изображения

— Насколько быстрым может быть переход от пробирки до промышленных образцов?

— Если говорить о материалах, которые останавливают массивные венозные и артериальные кровотечения, — аэрогелях на основе хитозана, то только наработка партий и испытания на животных заняли два года. Сейчас продолжается процедура регистрации и идет планировка завода.

В целом, когда речь идет о материалах для медицины, появляется новая, непривычная для нас стадия — стерилизация. Сейчас мы ищем места, где сможем ее осуществлять. Планируется, что к лету 2022 года мы уже откроем производство. В нашем случае выход на производственный уровень занял около 5 лет.

— Это привычное время, или все зависит от условий и материалов, которые в конечном итоге будут создаваться?

— Считается, что, если ты в десять лет уложился, это уже хорошо. Поэтому да, это достаточно быстро. Плюс ко всему, это уже второе наше производство. Опыт, полученный ранее, ускорил процесс.

— Когда говорят об аэрогелях, упоминают, что, возможно, в будущем они станут новой пластмассой. Насколько это реально?

— Я в первую очередь инженер-технолог. Поэтому станут ли они новой пластмассой — сложный для меня вопрос. Тем не менее, уже во многих странах научились использовать аэрогели в самых разных сферах. Прямо сейчас изучаются способы создания аэрогелей из белков — белков яиц, козеина, молока. То есть речь идет о попытке внедрения аэрогелей в пищевую промышленность.

В США, например, сделали прекрасные куртки, заменив пух аэрогелями. Это очень интересное направление, которое, в дальнейшем, может прийти и в Россию.

— В каких направлениях развивается Центр трансфера фармацевтических и биотехнологий РХТУ?

— Поскольку Центр представляет собой подразделение университета, то большое внимание уделяется обучению студентов и их научной работе. Я начинаю читать лекции на первом курсе — «Введение в специальность», а уже на втором — ребята приходят к нам и начинают работать над собственными проектами в лабораториях. И это, конечно, очень хорошо, поскольку студент сразу реализует собственные идеи. Он учится читать литературу на английском языке, находить интересные данные и проводить научные исследования.

Нам удалось открыть две новые магистерские специальности: «Цифровые технологии для фармацевтических производств» и «Современные процессы и аппараты химических производств». Фармацевтическое направление сегодня особенно актуально, ведь оно обеспечивает наше здоровье. При этом на фармацевтических производствах, в отличие от большой химии, очень мало автоматизации. Ведь во многом фармацевтика вышла из первых аптек. Она всегда была очень закрытой. И даже сегодня зачастую на фармацевтическое производство попросту не пускают тех, кто мог бы помочь реализовать процессы автоматизации. Считаю, что сегодня очень важно подготовить специалистов, которые смогут, работая на фармпроизводствах, автоматизировать его и осуществить переход от маленьких партий к большим масштабам. И современная цифровизация очень важна для фармпроизводств.

Прямо сейчас мы пытаемся пройти лицензирование программы «Промышленная фармация». Если все пройдет хорошо, то в следующем году в РХТУ откроется еще одна образовательная программа. Студенты — это наше будущее — ученые, производственники, и очень важно, чтобы они получили качественное образование.

— Когда и как вы заинтересовались тематикой химических технологий и аэрогелей?

— Научная работа меня интересовала всегда. Во многом, этот интерес появился благодаря отцу, который в свое время создавал твердое и жидкое ракетное топливо. Я не боюсь больших заводов.

И всегда говорю: если химия — это игра маленькой изящной дудочке, то большая химия — это рок-концерт, где всё гремит, где участвует множество различных музыкальных инструментов и так далее. Но этого «грохота» не надо бояться.

Если говорить об аэрогелях, то я заинтересовалась этой тематикой лет 12 назад. В университет ее привнес академик Алексей Михайлович Егоров. Он сказал: «Посмотри, какие интересные материалы. Попробуй сделать». Я пригласила выпускников МГУ (химиков) в аспирантуру, и они развивали это направление в РХТУ. Сейчас один из них — Павел Гуриков — профессор Гамбургского университета.

Название изображения

— Сотрудничаете ли вы с иностранными коллегами в рамках этой тематики?

— Конечно, у нас очень тесная кооперация. В новых условиях она несколько изменилась, и нам пока не удается приезжать друг к другу, но общение остается. Существует целое «аэрогельное» сообщество, состоящее из американских, европейских и китайских специалистов.  Поскольку у меня собственная ниша (фармацевтическая и медицинская), несколько недель назад я читала лекцию для Гамбургского университета. Мы с коллегами пришли к выводу, что у России могут быть лидирующие позиции в этом направлении. В первую очередь потому, что у нас хорошие возможности для проведения доклинических исследований. В той же Германии очень сложно получить разрешение на доклинику. У нас же в стране это сделать немного проще.

У нас действительно сплоченный «аэрогельный» коллектив, и очень жалко, что мы давно не встречались.

— Будем надеяться, что скоро всё вернется на круги своя. Что бы вы пожелали студентам и ребятам, которые в этом году поступят к вам на первый курс? Какое из направлений по тематике аэрогелей им выбрать?

— Если говорить о направлении аэрогелей, то интересных направлений очень много. Уверена, что каждый найдет свое. И, конечно, молодежь сегодня такая, что она сама создает что-то новое. Увлеченные ребята разрушают стереотипы и привносят в аэрогельную тематику что-то, о чем я даже и не думала.

Что бы я пожелала молодым ребятам? Быть фанатом науки!