Почему важно бороться с коррозией? Как это сейчас делают? Каким образом можно пользоваться катализом для извлечения ценных металлов? Зачем нужно исследование поверхностей? Правда ли, что можно создать машину, которая ездит на газовом аккумуляторе? Об этом рассказывает Алексей Константинович Буряк, член-корреспондент РАН, директор Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.
— Ваш институт — один из старейших в системе академии наук, ему в 2024 г. исполняется 95 лет. С чего все начиналось, для чего создавался институт? Какие основные задачи выполнил?
— Институт начинался в 1929 г. в Ленинграде с лаборатории коллоидно-электрохимических явлений. Потом при переезде в Москву он стал коллоидно-электрохимическим институтом. Первым заведующим лабораторией и первым директором института стал Б.А. Кистяковский, известный ученый в области электрохимии и коллоидной химии. Вначале институт имел два фундаментальных направления.
В 1945 г. он стал институтом физической химии, когда были добавлены новые задачи. В первую очередь эти задачи касались радиохимии и поверхностных явлений. Один из директоров нашего института Г.В. Акимов пришел из прикладного института — Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов, — чтобы создать фундаментальные основы защиты от атмосферной коррозии. Он создал сеть коррозионных станций по всей стране. И наш институт до сих пор владеет некоторыми станциями, проводит на них научные работы.
Институт совершенствовался, от него временно отделялась электрохимическая часть и довольно долго существовал отдельный институт электрохимии. Но потом мы снова объединились для того, чтобы консолидировать задачи, потому что коррозия и электрохимия — очень близкие родственные направления.
— Какие у вас сейчас основные научные направления?
— Сейчас у нас пять крупных направлений: электрохимия, коррозия, коллоидная химия, физическая химия, радиохимия. А если говорить о фундаментальной задаче, то это физическая химия поверхности. Еще в Академии наук СССР нашему институту было поручено изучать поверхностные явления, и они изучались и с радиохимической точки зрения, и с точки зрения коллоидной химии, и защиты материалов от коррозии.
Нами действительно решены многочисленные задачи. Например, заведующая лабораторией радиационного контроля и экологических проблем обращения с радиоактивными и токсичными отходами Е.В. Захарова создала технологию вывода из эксплуатации атомных станций. Она признана МАГАТЭ и используется во всем мире.
Исследуя сорбенты, наши сотрудники создали новые материалы, позволяющие аккумулировать природный газ и таким образом создавать безопасное хранение, избавляться от огромных подземных хранилищ и, самое главное, — от трубопроводов, которые часто неэкономичны для маленьких населенных пунктов. Туда можно отвезти грузовик с сорбированным природным газом и безопасно им пользоваться, а потом вернуть назад. Это многократный цикл. Сейчас совместно с «Газпромом» эта технология у нас продолжает развиваться.
Огромные работы проводятся в электрохимическом подразделении по созданию новых аккумуляторов, причем не только литий-ионных, поскольку количество лития ограничено. Сейчас большие ресурсы нацелены на то, чтобы создать натрий-ионные аккумуляторы — более распространенный и дешевый материал, но и более активный, и это вызывает определенные сложности. Здесь у нас уже есть успехи.
— Видела у вас стенгазету «Коррозия для всех». Если говорить для всех, какие успехи в борьбе с коррозией?
— Здесь наши коррозионисты под руководством Ю.И. Кузнецова, научного руководителя этого направления, решили многочисленные практические задачи. В том числе созданы летучие ингибиторы коррозии и ингибиторы, которые используют не вполне летучие соединения, но мы научились переводить их в газовую фазу, специальным образом обрабатывать изделие, чтобы на длительный срок защитить его от коррозии.
Надо сказать, институт и в советское время решал многочисленные прикладные задачи, а сейчас мы снова вернулись к этим практическим направлениям. Здесь есть и направление для хранения военной техники, в том числе продление сроков ее эксплуатации, защита от коррозии и военной, и гражданской продукции, и многочисленные радиохимические направления, которые тоже находят свое применение. Это не только ядерная медицина, не только экология, где под руководством академика Б.Ф. Мясоедова созданы многочисленные технологии по остекловыванию жидких радиоактивных отходов. Это очень важное направление, потому что хранить их в твердом состоянии гораздо легче и безопаснее, чем в жидком.
— Какие ставите задачи на будущее?
— Говоря о прорывных направлениях будущего, надо отметить работы научного руководителя нашего института академика А.Ю. Цивадзе. Это направления, связанные с фталацианинами и технологиями их практического использования. Это не только традиционные, но и экологические направления, их применение — катализ, извлечение изотопов лития. Это экстракционные направления, которые превратились в технологию, достаточно новую для нашего института.
Еще одно направление — исследование поверхностей с целью придания им специальных свойств, в первую очередь их гидрофобизация, что очень важно для защиты от обледенения в условиях Арктики. Эти работы проведены под руководством академика Л.Б. Бойнович.
Надо сказать, что в нашем институте впервые был создан научный совет по хроматографии в 1950-е гг., и его первым руководителем был член-корреспондент К.В. Чмутов. Он создал также первую лабораторию хроматографии в нашей стране и начинал работы по делению изотопов, причем в первую очередь радиоактивных изотопов. Сейчас эти работы продолжаются, и последнее достижение нашего института — это восстановление потерянной с советских времен технологии выделения америция.
— Что это за технология и чем она важна?
— Это хроматографическая технология, она позволяет селективно выделять америций. Радиохимикам же приходится проводить хроматографическое разделение при воздействии ионизирующего излучения, поэтому здесь лиганды должны быть очень стойкие. В.В. Милютин, руководитель этого направления, очень многое сделал для создания и восстановления производства таких сорбентов, которые когда-то начинались еще при К.В. Чмутове.
Я неслучайно заговорил о хроматографии, потому что в 2022 г. мы отмечали 150-летие со дня рождения Михаила Семеновича Цвета, первооткрывателя хроматографии. Это биолог, который входит в пятерку выдающихся российских ученых, признанных во всем мире.
— А кто еще туда входит?
— Семенов, Бутлеров, Менделеев и Ломоносов.
— Ничего себе компания!
— По результатам работ М.С. Цвета на основе созданного им хроматографического метода в дальнейшем получено восемь Нобелевских премий, где люди или создали свой вариант хроматографии, либо, используя существующие варианты хроматографии, выделили какие-то ценные вещества, препараты, в том числе медицинские.
К сожалению, из-за преждевременной смерти М.С. Цвет не смог получить Нобелевскую премию, хотя номинировался, но, к сожалению, в то время не понимали ценности самого метода. Его номинировали как человека, впервые показавшего, что хлорофилл — это сложная субстанция. Он был ботаником и сумел разделить хлорофилл на несколько компонентов. Это было настолько необычно, что другие ученые, работавшие в этой области, например известный академик К.А. Тимирязев, не верили этому. На Западе тоже не сразу признали эти достижения. Но уже начиная с 1930-х гг. благодаря работам Цвета начинает развиваться хроматография — сначала газовая, потом и жидкостная.
Сейчас развивается хроматография высокого давления. И здесь надо сказать о выдающемся советском ученом Владимире Александровиче Даванкове, который тоже был председателем совета по хроматографии. Им открыт вариант лиганднообменной хроматографии, позволивший разделять оптически активные соединения. Этот метод до сих пор не утратил своей ценности, поэтому такие работы продолжаются и у нас в институте, и в Институте элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (ИНЭОС РАН), где когда-то работал В.А. Даванков.
Хроматографическое направление развивается у нас в институте, и сейчас оно трансформировалось в хромато-масс-спектрометрию, соединившись с таким мощным методом, как масс-спектрометрия.
— Что это за метод?
— Хроматография остается не только методом разделения, как когда-то, но и методом идентификации. И это благодаря работам наших молодых ученых, которые, используя искусственный интеллект, варианты машинного моделирования, создали методы, позволяющие предсказывать структуру молекул, в том числе и неизвестных, на основании хроматографических данных в сочетании с масс-спектрометрическими данными. А важность разделения, идентификации и построения структур неизвестных соединений может быть легко проиллюстрирована на примере анализа лекарств.
— Каким образом?
— Во-первых, в лекарствах очень важно определять примеси и микропримеси. Во-вторых, очень часто лекарства синтезируются в виде рацематов, то есть в смеси L- и D-изомеров. А их надо уметь разделять, потому что очень часто свойства изомеров различаются: что-то — лекарство, а что-то — яд.
Известен случай с талидомидом, который давали как снотворный препарат, но он вызвал чудовищные последствия. А лиганднообменная хроматография позволяет разделять эти соединения. Разделение изомеров — это основная задача и физической химии, и органической.
— Алексей Константинович, давайте поговорим о руководимой вами лаборатории. Чем она занимается?
— Лаборатория называется «Хроматография и хромато-масс-спектрометрия». Поскольку мы институт физической химии, мы развиваем технологии получения новых сорбентов, разделения сложных смесей и пытаемся вести как фундаментальные работы, так и прикладные.
В частности, нами создан новый метод исследования поверхности и определения неорганических соединений на поверхности. Здесь очень гармонично объединяются вариант тонкослойной хроматографии, тоже открытый в нашей стране, и масс-спектрометрия в варианте лазерной десорбции и ионизации, когда мягкое лазерное излучение позволяет без разложения ионизировать очень сложные соединения. На поверхности мы можем концентрировать примеси и дальше их определять с помощью масс-спектрометрии. Это очень важно для коррозионного направления, которое развивается у нас в институте.
Например, можно определять коррозионно-активный компонент, например хлор, который опасен, вызывает коррозию, но определять его не суммарно среднюю концентрацию, а локальную. Она показывает, что поверхность устроена очень сложно, отдельные участки содержат больше хлора, и именно там может начаться коррозия. А это очень важно, когда мы изучаем атмосферную коррозию или движение кораблей или самолетов в морской среде.
Нам приходится разделять и идентифицировать сложные смеси изомеров, в том числе изомерные продукты, которые получаются при трансформации ракетного топлива. Такие продукты образуются и на земле, куда падают отделяемые части ракет-носителей. Стоит задача рекультивации этих поверхностей, в том числе и грунтов. Нами создан катализатор, с одной стороны, устроенный очень сложно, с другой стороны, это шунгитовый материал, уникальный для нашей страны. Мы единственная страна, у которой есть месторождение шунгита. Это торф, возобновляемый материал, которого в нашей стране миллиарды тонн. Это катализатор — соли молибдена, которые способствуют разложению основного токсичного компонента на нетоксичный продукт, и буквально за месяц удается ликвидировать пролив в грунтах.
— То есть эти вещества можно не удалять из природной среды?
— Вносимые нами компоненты не токсичны, они природные, их не надо удалять из окружающей среды. Для рекультивации достаточно просто перепахать или оставить, дожидаясь, что растения прорастут этот слой. Соответственно можно нейтрализовать и водные среды. Мы рекомендуем использовать этот метод при аварийных проливах и просто при заправке и сливе изделий ракетной техники.
— Вы сказали об уникальных свойствах шунгита. Я много раз видела, как шунгитовые браслеты, пирамидки, какие-то еще изделия продаются якобы для лечения от всех болезней. Что вы можете сказать про шунгит? В чем его уникальность и можно ли им лечиться?
— Пирамидками лечиться нельзя, внутрь принимать медики тоже не рекомендуют. В плане лечебных свойств шунгита надо сказать, что он защищает от электромагнитного излучения. В нашем институте лаборатория Г.А. Петуховой работает над созданием таких материалов, когда в фанеру в качестве наполнителя можно добавлять шунгитовый материал и таким образом создавать помещения, защищенные от электромагнитного излучения.
Это интересно и в квартире, где вы можете поставить такую фанерку между собой и холодильником. А особенно это важно для изделий ракетной или военной техники. Еще это может быть комната разгрузки. Это зона радиомолчания, где из шунгита сделаны стены. Правда, серьезных экспериментов тут не проводилось, и это скорее из серии того, как может оздоравливать янтарная или соляная комната. Но мы больше верим результатам, когда, добавив материал, мы видим снижение радиопроницаемости, и это можно использовать в практических целях.
Сейчас, создавая какую-то технологию, мы должны думать и о ее завершении, об утилизации этих материалов. Никаких проблем с утилизацией шунгитовых материалов нет. Они могут быть переработаны на строительные материалы, добавки к бетону. Это касается и катализаторов, которые мы применяем для нейтрализации проливов топлива. Поэтому мы считаем, что шунгит — очень перспективный материал.
— Но вернемся к деятельности вашей лаборатории.
— Я не рассказал еще про жидкостную хроматографию. Это важнейшее направление, которое берет свое начало от М.С. Цвета, создавшего хроматографию низкого давления. Здесь очень важно идентифицировать продукты, предсказать их токсичность или, наоборот, лекарственные свойства и в дальнейшем препаративно выделить. В варианте жидкостной хроматографии мы используем колонки с углеродным сорбентом, с гиперкарбом. И здесь нам удается установить связь между молекулярно-статистической теорией адсорбции, которую создал мой учитель, профессор Андрей Владимирович Киселев, и механизмами разделения молекул. Эта теория позволяет предсказывать удерживание соединения и решать обратную задачу — по удерживанию, строить структуру молекул. Углеродный сорбент в варианте газовой хроматографии позволяет очень легко разделять изомеры.
К сожалению, когда мы используем вариант жидкостной хроматографии, там влияет растворитель, искажающий это воздействие поверхности. Нами созданы базы данных, которые позволяют предсказывать удерживание. И мы надеемся, что в будущем в варианте жидкостной хроматографии мы научимся строить структуры молекул.
— Алексей Константинович, в вашем институте есть уникальная машина, которая может ездить на газе. Это правда?
— Да. От обычных автомобилей, которые ездят на газовых баллонах, она отличается тем, что в ее баллон насыпан сорбент и помещен в виде специальных формованных изделий. Сотрудники лаборатории А.А. Фомкина научились формовать такие изделия, и это повышает емкость сорбента. Подобный резервуар, заполненный сорбированным газом, безопасен, потому что при разгерметизации не выделяется газ под давлением 150 атмосфер, как в обычном баллоне.
— А какой газ используется?
— Метан. Можно использовать также пропан-изобутановую смесь. Эта машина сейчас у наших коллег в Самаре, которые дорабатывают ее, и мы надеемся, что вот-вот начнем ее практические испытания.
— Такие машины будут ездить по нашим улицам, как вы думаете?
— Да, конечно. Причем это не только машины, это и газовые баллоны, которые могут использоваться в быту, и более крупные агрегаты, и просто хранилище газа, которое можно привезти в Арктический регион или другой труднодоступный район, а после израсходования газа вернуть, заполнить повторно. Это значительно снизит расходы на газификацию страны, потому что не нужно труб, не нужно давление, не нужно постоянно контролировать герметичность этих труб.
— Но если вернуться к автотранспорту, то чем такая машина будет превосходить автомобили на бензине, керосине или электромобили, которые сейчас, говорят, будут выпускаться в массовом порядке?
— Обычный автомобиль на бензине будет примерно такой же, как автомобиль с нашим газовым аккумулятором. Зато наш газовый аккумулятор будет превышать по своей безопасности традиционный газовый резервуар, потому что там высокое давление. А говоря об электромобилях, надо вспомнить, что электричество в электромобиль попадает после сжигания природного газа на электростанциях. Поэтому возможен такой вариант: поручить автомобилю самому сжигать природный газ, не двигаясь по такой сложной цепочке. Может быть, в городах электромобили более экологичны, потому что при сгорании газа выделяется углекислый газ. Но для каких-то агрегатов, для крупных автомобилей, для загородных трасс это вполне может быть использовано. Поэтому, я думаю, за нашими разработками большое будущее.
