Химия-2025. Новые решения для энергетики, медицины и новых материалов

«Научная Россия» подводит итоги уходящего года и  напоминает о крупных достижениях отечественных ученых. Для химиков 2025 г. стал в определенной степени юбилейным ― 60 лет назад, в 1965 г., был учрежден профессиональный праздник День химика.

Современные научные направления тесно связаны между собой, а достижения одних ученых находят широкое применение в работах других. Так и последние открытия российских химиков помогают решать важные задачи в области энергетики, экологии, медицины. Предлагаем подборку материалов «Научной России» о самых ярких событиях в области химической науки за последний год.

Курс на водород и замену лития

Один из приоритетов современной энергетики ― переход к эффективному и экологически чистому водороду. В интервью нашему порталу заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ Софья Михайловна Морозова говорила: «Даже я как человек, который состоит в электрохимическом сообществе и следит за научными достижениями и технологическими разработками, не заметила, в какой момент города заполонили электросамокаты и начали широко внедряться электромобили. А они стали так распространены именно потому, что ученые научились создавать батареи с необходимыми свойствами. Возможно, через пять лет мы неожиданно обнаружим, что в повседневной жизни уже широко используется и водородный транспорт».

Научный коллектив под ее руководством разрабатывает методы создания полимерных мембран, которые в перспективе будут применяться при сборке водородных топливных элементов, металл-ионных батарей и мемристоров. В 2024 г. она стала лауреатом премии Правительства Москвы молодым ученым в номинации «Наука мегаполису». А в этом году представила новые результаты по созданию композитной протонообменной мембраны для водородных двигателей. Научный коллектив предложил изготавливать армирующий каркас мембраны из материала, обладающего протонной проводимостью. Это позволило найти баланс между эффективностью и механической стойкостью тонкой мембраны, на которую действуют механические нагрузки, перепады влажности и температур.

Коллектив дальневосточных ученых совместно с Кольским научным центром РАН в этом году выполнил работу, которая в перспективе позволит создавать более дешевые и безопасные, чем литиевые аккумуляторы, источники питания, в том числе для вживляемых в организм медицинских устройств.

Ученые разработали эффективную методику синтеза феррита цинка и доказали его высокий потенциал в качестве катодного материала для твердотельных батарей нового поколения. Для этого специалисты получили феррит цинка, используя золь-гель метод ― распространенную и доступную для масштабирования технологию. Испытания показали, что материал как основа для катода твердотельных батарей показывает проводимость, которая превышает теоретические ожидания.

«Мы сравнивали различные методы получения феррита цинка и отработали синтез получения катода, применяя золь-гель метод. В первую очередь работа направлена на создание материалов, которые способны заменить литий в батареях. Дело в том, что запасы лития ограничены, он обладает определенной токсичностью, может пагубно влиять на окружающую среду, а электролит в литиевых аккумуляторах огнеопасен. Поэтому сегодня многие исследователи ищут возможности перехода к твердотельным батареям», ― рассказывал руководитель проекта Олег Олегович Шичалин.

Ученые из Южного федерального университета создали новый катализатор на основе наночастиц из платины и меди,  который позволит создавать более дешевые и долговечные топливные элементы. Эксперименты показали, что активность материала в 5,5 раз выше, чем у коммерческого аналога, а катализатор сохраняет 67% эффективности после 30 тыс. циклов испытаний.

В катализаторе ученые объединили платиново-медные наночастицы и углеродный носитель, модифицированный атомами азота. Комбинация позволила получить новый материал с более высокими характеристиками по сравнению с аналогами. Кроме того, включение меди в катализатор позволило уменьшить долю драгоценного металла в материале, сделав его доступнее.

Материалы для медицины

В медицине исследования химиков помогли создать новый материал, защищающий от бактерий, молекулу для фотодинамической терапии онкологических заболеваний, полимер для изготовления стентов, сосудистых трансплантатов и компонентов искусственных сердечных клапанов.

Ученые Пермского политеха представили материал, способный отфильтровать и обезвредить более 95% бактерий из проходящего сквозь него воздуха. Бактерицидный композитный материал из активной углеродной ткани, модифицированной частицами мелкодисперсной металлической меди, можно использовать для изготовления масок, респираторов и фильтров для очистки воздуха.

В Сеченовском университете создали сополимер изобутилена и стирола с уникальными свойствами. В отличие от традиционных покрытий на основе полиуретана, которые  разрушаются за несколько месяцев, отечественная разработка сохраняет стабильность в организме человека в течение многих лет. Кроме того, он гибкий, прозрачный и практически газонепроницаем. «Мы разрабатываем системы для создания новых полимеров без использования тяжелых металлов. Речь идет о так называемой фотополимеризации и получении полимеров под действием света, что значительно упрощает дальнейшую очистку и применение материалов. Сополимер изобутилена и стирола, над которым мы работаем, относится к одному из уникальных современных материалов. Он биосовместимый, биостабильный и широко используется в разных сферах», ― рассказывал ведущий научный сотрудник лаборатории макромолекулярного дизайна Сеченовского университета Дмитрий Иванович Шиман.

Разработка нижегородских ученых потенциально может стать основой лекарств для борьбы со сложными случаями онкологических заболеваний. Под воздействием света новое вещество высвобождает два компонента, поражающие опухолевые клетки разными способами: фотосенсибилизатор класса BODIPY и химиопрепарат кабозантиниб.

Искусственный интеллект поможет создавать новые материалы

В поиске новых материалов химикам теперь поможет российский алгоритм USPEX 25 ― академик Ю.Ц. Оганесян назвал его революционным скачком в области научного поиска. Алгоритм позволяет выполнять вычисления, для которых раньше требовался суперкомпьютер, при этом он достаточно прост в использовании и работает на любом ноутбуке. Прорывных результатов удалось добиться благодаря интеграции нейронных сетей.

Об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказывал вице-президент РАН Степан Калмыков, отмечавший, что важная часть любого исследования — это молекулярное моделирование, предсказание свойств и структур различных соединений. Раньше это делалось вручную. Алгоритм USPEX 25 позволит смоделировать любую структуру с помощью искусственного интеллекта.

«Химия всегда так или иначе связана с определением структуры каких-то веществ. Те методы, которые для этого используются, прежде всего рентгенофазовый анализ, рентгеноструктурный анализ,  являются абсолютно рутинными. Это тысячи измерений, которые делаются экспериментально. При этом изучение структуры — это то, что необходимо абсолютно любому химику. Поэтому все, что может упростить алгоритм предсказания, является очень важным», ― отмечал Степан Калмыков.

Предлагаем вашему вниманию интервью с химиками, которые выходили на портале «Научная Россия» в течение года.