Что представляют собой новые функциональные материалы? Чем отличаются от уже известных? Какие новые возможности они дают людям? Как их можно получить и какие сложности возникают на этом пути? Об этом мы беседуем с заведующим кафедрой неорганической химии химического факультета МГУ членом-корреспондентом РАН Андреем Владимировичем Шевельковым.
― Андрей Владимирович, перед интервью вы сказали, что сейчас, когда закончился учебный процесс и вы на какое-то время распрощались с аспирантами, можно, наконец, подумать о жизни и осознать себя. Какие у вас сейчас мысли о том, что происходит на химическом факультете и, в частности, на вашей кафедре?
― Не могу сказать, что мы распрощались с аспирантами. Работа с ними продолжается почти все лето, пока лаборатория не закрывается на короткий летний перерыв. Но сейчас беспокоят очень многие вопросы, связанные именно с учебным процессом. Дело в том, что с первого сентября химический факультет начинает учить студентов по новой программе. Это связано с тем, что все начинают переходить на новый учебный план, отказываясь от Болонской системы. Хотя у нас на химическом факультете был шестилетний специалитет, все равно с изменением общего подхода к обучению меняются планы, программы, последовательности курсов. Немного меняется насыщение. И поскольку это нововведение для нас непривычное, то много времени уходит на то, чтобы обдумать, как именно будет осуществляться педагогический процесс на первом курсе. Те курсы, которые уже отучились один год, продолжат обучаться по старой программе до самого выпуска. А вот первый курс будет уже по-новому.
Если учесть, что план был утвержден окончательно лишь в апреле, а прорабатывался более двух лет, то кажется, что все хорошо и отработано. А с другой стороны, никто не знает, какие будут подводные камни, мелкие детали. Мы пытаемся предугадать некоторые сложности, быть подготовленными, чтобы нас не застало что-то врасплох по ходу учебного процесса.
― А в чем принципиальная разница между двумя программами?
― В первую очередь нужно сказать, что на химический факультет теперь будут принимать тех, кто может выбрать, какой дополнительный ЕГЭ ему представить на вступлении: по физике или по биологии. И после трех семестров студенты расходятся на два направления: одно в большей степени можно назвать «физико-химическое материаловедческое», другое ― «органически-биохимическое». И насыщение различных курсов для этих студентов будет отличаться. Такого никогда не было. У нас также были приняты спецгруппы, которые с первого курса обучались немного по другим планам. Сейчас этих групп не будет, но будет возможность пройти ознакомительную практику на первом курсе в лабораториях кафедр. Каждый студент должен будет выбрать свою кафедру, сделать какую-то работу, может быть, даже литературную для начала, потому что это еще неопытные студенты, они только начинают проходить практику. Но в результате такая ознакомительная практика, как мы надеемся, поможет студенту в дальнейшем выбрать свою специализацию, куда потом распределиться для выполнения дипломной работы. Это новшество, которого никогда не было в нашей прежней работе, и его трудно реализовать хорошо с самого начала. Но мы стараемся.
― Сегодняшние студенты вашей кафедры чем-то отличаются от тех, с которым вы когда-то сами учились? Если отличаются, то чем?
― Конечно. Уровень подготовки в школе был выше практически по всем естественно-научным предметам. Но намного ниже был уровень подготовки по иностранным языкам. Сегодня студент, поступивший на химический факультет МГУ, способен воспринять информацию на английском языке, как письменную, так и устную. Многие достаточно хорошо говорят. Еще 30–40 лет назад было абсолютно нормально, когда лекция иностранного профессора переводилась на русский язык. Сейчас даже представить себе трудно, что такое понадобится. Но подготовка по химии, физике и в меньшей степени по математике была намного лучше. Я вспоминаю свой курс. Сегодня студенты лучше подготовлены к индивидуальной работе, проектной работе, лучше знают английский язык. Но знания по химии сейчас чуть хуже. Даже включая тех, кто прошел олимпиады.
― Наверное, хорошее знание английского языка не компенсирует плохое знание химии, физики, биологии?
― Нет. Но оно позволяет гораздо быстрее влиться в работу, потому что большинство литературы ― на английском языке. Да и большинство активных ученых публикуются на нем и сегодня. И на нашей кафедре бóльшая часть статей пишется на английском языке. Поэтому даже для того, чтобы понять, чего от тебя хочет твой научный руководитель, нужно взять и прочесть что-то на английском языке.
― Много ли талантливых студентов, с которыми вам приятно общаться и вы чувствуете, что все не зря?
― Здесь нужно совокупно оценивать не только талантливых, но еще и целеустремленных. Талант без подпитки работоспособностью бывает невостребованным. Могу привести пример: в этом году 12 студентов защитили дипломы на кафедре неорганической химии. Шесть из них ― с отличием. Вот это процент! Так бывает не всегда, но можно сказать, что минимум 30% химического факультета ― очень толковые и работоспособные люди, которым интересна химия и которые продолжают в той или иной степени в ней работать. Не обязательно в лаборатории, вплоть до сервис-инженеров какого-то оборудования.
― Вы читали курс, который называется «Функциональные неорганические материалы XXI в.». Что это за материалы?
― Я читал не весь курс, а отдельные лекции. Этот курс создан в содружестве с факультетом наук о материалах. Он призван дать молодым ученым информацию о современных направлениях в химии, которые нацелены на создание новых материалов. Причем речь идет не об инженерной или конструкторской разработке, а о разработке базовых принципов. О том, что нужно довести что-то (лабораторный инструмент или просто материал) до того, чтобы его потом использовали в устройствах. Это задача всем понятна, но не все знают, какие именно материалы нужны и по каким принципам они создаются.
То, что может предложить кафедра неорганической химии, делится на три части, причем неравноценные. Наибольшая относится к материалам, предназначенным для процессов добычи и использования возобновляемых энергий. Это электрохимическая энергия, водородная, солнечная и т.д. — все то, что не завязано на углеродном или углеводородном топливе.
Вторая часть связана с преобразованием энергии. Скажем, люминесцентные материалы: лампочки (уже не накаливаются и светят хорошо), экраны компьютеров, смартфонов. Это материалы, которые связаны с человеческим здоровьем. Например, кафедра неорганической химии работает с имплантами, которые заменяют кость, но при этом работают не по принципу титанового или танталового штыря, а по принципу имитации кости, встраивания в организм.
― Расскажите об этом подробнее. Что за материалы, откуда они взялись и как вы на это вышли?
― Это давняя история. Этими материалами так или иначе занимаются больше 20 лет, основоположником был академик Ю.Д. Третьяков, который ранее заведовал кафедрой неорганической химии. Но в настоящее время рассматриваются такие материалы, которые по составу похожи на человеческую кость. Они основаны на фосфатах кальция разного состава, разной структуры. Идея заключается в том, что, когда наш организм развивается, кость растворяется и кристаллизуется, поэтому происходит обновление скелета. У детей ― очень быстро, у взрослых, особенно у людей пожилого возраста, это очень медленные процессы.
Когда мы вставляем инородное тело (металлическое), оно в процессе биорезорбции не участвует. Поэтому нужно придумать такой материал, который вместе с нашей костью будет так же растворяться и снова кристаллизоваться. Но поскольку кристаллизация и растворение происходят в условиях, когда кость пористая и внутри есть белок, то и вещество должно быть не само по себе ― должна еще быть его структура, структура пор и т.д. Это задача неорганической химии. Понятно, что все делается вместе со специалистами биомедицинского направления.
― Такие импланты уже существуют?
― Да, они созданы. Но если что-то создано, то это не значит, что нельзя создать что-то лучше. Поэтому работы продолжаются. У нас есть опытный специалист на кафедре, кстати, ученик академика Ю.Д. Третьякова, ― Валерий Иванович Путляев, который руководит такими работами уже много лет.
― Эти импланты где-то применяются?
― Да. Но понятно, что у человека разные кости. Например, чтобы заменить зуб или берцовую кость, нужны разные материалы. Применяются они в хирургии. Насколько я знаю, пока суставы из биорезорбированных материалов не делаются. Это какая-то металлическая или металлокерамическая конструкция.
― Какие еще разработки есть у вас на кафедре?
― Если говорить о тех же люминесцентных материалах или материалах солнечной энергетики, то есть интересные новости. Вот перспективная разработка термометрии: люминесцентные материалы, основанные на соединениях редкоземельных элементов. Их специфика в том, что их люминесценция очень чувствительна к температуре. Более того, соединения редкоземельных материалов относительно безопасны для человеческого организма. Поэтому они могут быть введены внутрь.
Если такой люминесцентный материал ввести в человека и затем облучать определенным светом, то можно узнать, какова температура внутри определенной клетки, а не внутри организма в целом. Это может быть полезно для точечных визуализаций, для контроля здоровья человека. Это может быть использовано в борьбе с раковыми клетками, которые уничтожаются при более низкой температуре, чем здоровые. И это явные биомедицинские приложения.
― Но ведь люминесценция важна не только в медицине?
― Да, люминесценция нужна, чтобы создавать OLED (органический светоизлучающий диод) ― вещества, которые под действием электрического тока светятся, как это происходит на экране телевизора. Люминесцентные экраны так и работают. Всегда нужно создать вещество, которое будет светить ярче, стоить дешевле, иметь разные диапазоны цветности. Эта работа уже может происходить с разными веществами. Необязательно брать редкоземельные элементы, можно использовать другие вещества, совершенно безопасные с точки зрения окружающей среды. Вот у смартфона или планшета треснул экран, и мы точно знаем, что из него не «выползет» никакая ядовитая субстанция. Это важно. Существует общая тенденция перехода на экологически безопасные материалы, и мы тоже стараемся ее поддерживать.
Вот пример: есть термоэлектрические материалы, они используются для того, чтобы создать локальное охлаждение под действием электрического тока. Представьте: бывают холодильники, в которых нет компрессора, они не шумные, механически очень крепкие. Или нужно охладить место работы оператора, находящегося в трудных условиях, например экскаваторщика под солнцем. Нужны простые и дешевые материалы.
― Такие материалы существуют?
― Да. Но они, во-первых, не очень дешевые, потому что содержат теллур, а во-вторых, немного ядовитые, потому что в некоторых из них есть свинец. Что можно сделать? Можно создать такие материалы, которые будут свободны от этих ядовитых компонентов. Они будут содержать что-то более привычное для нас: железо, никель, марганец, серу. Такие соединения мы тоже исследуем, чтобы сделать термоэлектрические преобразователи. Причем эти преобразователи бывают и второго типа, с которым мы сейчас в основном работаем. Это те, которые подхватывают отработанное, или паразитное тепло. Вот машина тормозит, диск разогревается, это тепло можно собрать. Или горячая выхлопная труба у машины. На нее можно поставить определенное устройство, которое будет преобразовывать часть отработанного тепла в электрический ток, и он будет поступать обратно в систему автомобиля.
― Ваш автомобиль, наверное, ездит таким образом?
― Мой ездит таким образом, но он сделан с тем материалом, которого сейчас стараются избежать, ― он содержит теллурид свинца. А мы пытаемся разработать материал, который был бы экологически абсолютно безопасен. Ведь мировая тенденция ― отказаться от применения наиболее ядовитых элементов: свинца, ртути, кадмия. Нужно к этому стремиться. Понятно, что в идеале можно от них полностью избавиться, но в реальности этот процесс очень медленный.
Следующее направление работы связано с тем, что сейчас появились очень дешевые, хотя капризные в работе преобразования солнечной энергии в электрическую ― фотогальванические перовскитные материалы. Они все работают только на соединениях свинца. Но эти соединения немного растворимы в воде. Разрушение объекта, содержащего соединения свинца, приведет к загрязнению почвы. А свинец нейротоксичен. И в виде таких растворимых веществ он будет биодоступен. Что нужно сделать, чтобы избежать отравления?
― Заменить свинец на что-то другое.
― Да. И выяснилось, что это очень сложная задача. Мы занимаемся ею уже, наверное, с 2014 г. и пока не нашли, на что заменить. Эффективность всего того, что находим мы и другие группы в нашей стране и в мире, раз в семь-восемь ниже, чем у соединений свинца. Пока длительные работы технологического характера к успеху не привели. Мы выяснили много новых закономерностей, нашли новые материалы, в том числе и люминесцентные, но задачу заменить свинец так и не решили. И никто не решил.
― Какие еще задачи вы хотели бы решить?
― В первую очередь, разработать материал, который будет эффективно снабжать нас энергией. Сегодня понятно, что самое дешевое топливо ― углеводородное, самое перспективное в будущем ― это атомная энергетика. Но ведь атомный реактор не может быть в автомобиле или батарейке смартфона в вашем кармане, поэтому все равно должно быть что-то еще, не глобально-массовое, а локальное. Вот мы и стараемся заниматься такими материалами.
Причем имеем в виду, что это должно быть нетоксично, относительно дешево, чтобы цена производства была разумна по сравнению с ценой самого агрегата. Плюс еще задача ― чтобы процессы, связанные с производством, были свободны от выброса СО2. Это экологическая проблема, которая сейчас так всех беспокоит.
― Что для вас в вашей области химии наибольшая загадка, которую хотелось бы разгадать?
― Главная загадка для меня ― это причина, по которой интерметаллические соединения проявляют те свойства, о которых мы знаем. Сегодня фундаментальная неорганическая химия не может ответить на вопрос: какова глобальная взаимосвязь между составом, строением и электронными свойствами, в том числе и магнитными, сложных интерметаллинов?
Мы можем выхватывать некоторые семейства и говорить: а вот у этого семейства ― такие закономерности, а для следующего ― другие. Но гигантское количество интерметаллических соединений с разнообразием структур, свойств и их сложность, трудность описания химической связи пока не позволяют сказать, есть ли глобальная закономерность. Может быть, мы ищем то, чего нет. Может быть, нужно, наоборот, выхватывать какие-то крупные семейства и для каждого из них находить такую взаимосвязь, чтобы понять, какие свойства можно использовать.
Мы сейчас работаем с некоторыми группами таких интерметаллидов и находим очень интересные магнитные свойства, которые в принципе тоже могут быть использованы. Например, есть такая отрасль ― магнетокалорика, когда за счет изменения спиновых свойств можно менять тепловые свойства. Например, в результате вращения магнита можно создавать охлаждение. Есть такая очень интересная идея.
Возьмем сверхпроводник. Чтобы он работал, нужен гелий. Для мощных сверхпроводников тоже нужен гелий. Гелий очень дорог. Тогда идея такая: охладить азотом до той температуры, при которой сверхпроводник еще не работает, но подключим работающий в этих температурах магнетокалорический элемент и охладим от азотной температуры 77 К до тех температур, при которых сверхпроводник работает. Мы начинаем потихоньку понимать, как функционируют некоторые интерметаллические соединения, и методом проб и ошибок продвигаться к таким соединениям, но уже не по слепому полю, а в выбранной траектории. Так что загадки есть, и это прекрасно. Это стимулирует к дальнейшей работе.
