Что такое химическая физика и чем она важна? Какие задачи решает? Можно ли получить с помощью методов химической физики новые материалы и технологии? Какое отношение они имеют к мосту через Амур? Об этом и многом другом – наш разговор с Виктором Андреевичем Надточенко, директором Федерального исследовательского центра химической физики имени Н.Н. Семенова, доктором химических наук, профессором.
– Виктор Андреевич, мы находимся в святая святых – в мемориальном кабинете Николая Николаевича Семенова, основателя и первого директора этого института, которому скоро исполнится 90 лет. Академик Семенов говорил о том, что химическая физика, которую он, собственно, и основал как науку, наиважнейшая область химии. Почему он так считал, как вы думаете?
– Химическая физика – это один из краеугольных камней большого куста наук – естествознания и биологии, физики и химии. Сейчас, если мы посмотрим на общий сборник, который издает, скажем, Американское или Европейское химическое общество, то примерно 75% материала – это традиционный материал химической физики. Если мы будем говорить о фундаментальных физических законах, то все они устанавливались на относительно простых системах, однако они носят абсолютно фундаментальный характер. Химическая физика – это наука, которая работает со сложными системами, и применение, использование их с точки зрения фундаментальных законов требует очень больших интеллектуальных усилий. Та наука, которую создал Николай Николаевич Семенов, оказалась очень разносторонней. Она проникает и в современную биофизику, и в биологию, и в материаловедение. Куда ни посмотри, всюду срабатывает химическая физика.
– То есть это основа основ?
– Да, потому что, опираясь на физические законы, мы пытаемся понять природу сложных систем. А химические и биологические системы крайне сложны.
– Виктор Андреевич, знаю, что в этих стенах был изобретен порох для «Катюш». Какие еще архиважные изобретения были сделаны?
– Самые важные вещи произошли, по-видимому, где-то в 20-х годах, когда Юлий Борисович Харитон исследовал воспламенение фосфора. Именно тогда Николай Николаевич Семенов фактически заложил основу теории разветвленных цепных реакций, которая стала фундаментом для объяснения широкого круга явлений, сегодня называемых критическими. Тогда начала активно развиваться школа химической физики и кинетики. Было много фундаментальных и прикладных работ. Это были работы, связанные с энергетически богатыми материалами, топливом, взрывчаткой. До начала войны институт играл очень важную роль в становлении всей нашей промышленности.
Семенов был не только гением фундаментальной науки – он гениальный организатор. Удивительным образом он сумел собрать вокруг себя и сформировать коллектив ярчайших людей. Тогда здесь появились еще молодой Яков Борисович Зельдович и многие другие наши великие ученые, чьи портреты сегодня украшают наш конференц-зал. Уже в 1939-м году делались прикидки, как может произойти разветвленная цепная реакция, может ли произойти атомный взрыв. Но для того, чтобы достоверно это все рассчитать, тогда еще было недостаточно информации. Надо было знать конкретные константы, сечения и другие параметры, которые еще не были измерены. Хотя принцип такого устройства уже был сформулирован. Параллельно была создана теория детонации, очень много было сделано в теории горения.
А на более позднем этапе институт подключился к работе над атомным проектом. Для иллюстрации скажу, что на площадке первого атомного взрыва присутствовало 11 научных сотрудников, из них 9 – сотрудники Института химической физики.
– Показательно.
– Эта работа активно продолжалась где-то до первой половины 60-х годов. А к тому времени уже фактически были созданы и атомная, и термоядерная бомба. Николай Николаевич тогда мудро сказал: «Мы взорвали все, что нужно взорвать, а теперь надо и на людей поработать».
Здесь интересно его предвидение. Тогда он cформулировал, что нам необходимо использовать принципы живой природы в постановке решений химических проблем. Эта идея воплотилась в попытке реализовать несколько проектов. Это проект по созданию искусственного фотосинтеза, где брались за основу самые глобальные процессы, которые происходят на Земле. Это фотосинтез, это фиксация азота, второй по глобальности процесс, который обеспечивает, собственно говоря, жизнь на Земле. И была идея взять процесс активации СН-связи. Это целый ряд ферментативных процессов, которые проходят в живых организмах. Суть их заключается в том, что происходит окисление углеводорода органических молекул кислородом практически без образования свободных радикалов. Получаются либо какие-то целевые продукты, либо это используется в биоэнергетических цепях, когда вырабатывается энергия для функционирования живой клетки.
Сегодня это направление превратилось в огромную индустрию, которая относится вот к green chemistry. Сейчас ведутся дискуссии, что же все-таки важнее – наши традиционные источники энергии или эта зеленая энергия, получаемая с помощью Солнца. Но надо сказать, что эта дискуссия велась еще раньше, в том числе Николаем Николаевичем и Петром Леонидовичем Капицей. Там было две точки зрения. Капица правильно говорил: вот вы собираете солнечную энергию, но она же она очень сильно рассредоточена. Как вы запитаете промышленность? Но, как показал опыт, «мамы всякие нужны, мамы всякие важны». Есть огромное количество задач, особенно задач, связанных с удаленными локализованными объектами, проблемами социальной структуры, когда идеи солнечной энергетики играют огромную роль.
– Виктор Андреевич, давайте поговорим о современной жизни вашего института, расскажем о самых интересных, самых актуальных направлениях, в которых вы сейчас работаете.
– После смерти Николая Николаевича институт разделился на несколько институтов. В последнее время мы предприняли усилия для того, чтобы объединить те наши старые осколки, и таким образом мы преобразовались в Федеральный исследовательский центр. Что важного и интересного оставалось? Во-первых, у нас осталась традиционная тематика, которая начиналась с 30-х годов, – это тематика горения и взрыва. Руководит этим направлением профессор Сергей Михайлович Фролов. У них есть очень остроумные решения инженерного толка тех идей, которые закладывались еще Яковом Борисовичем Зельдовичем. Еще в 30-х годах было понятно, что можно создать некие двигатели, которые бы использовали не столько знаменитые циклы, которые используются в современных двигателях внутреннего сгорания, сколько детонацию. Это сложно из-за того, что детонация – это нелинейный процесс, очень неустойчивый, и он все время куда-то убегает. Но группе Фролова удалось получить устойчивость этого процесса, реализовать прототипы таких двигателей. Это действительно огромные успехи и важные решения.
У нас остались традиционные работы, связанные с катализом, с исследованием строения вещества. Очень большой след оставили усилия Николая Николаевича, которые были связаны с биологическими системами. Самая интересная работа в этом направлении, в которую я активно вовлечен, – это исследование самых первичных процессов природного фотосинтеза. Это быстрые процессы разделения зарядов в фотосистеме. Для этого используется фемтосекундная лазерная спектроскопия. Существенные результаты с исследования первичных процессов в зрительных пигментах получены в совместных исследованиях с М.А. Островским. Мы развиваем новые методы фемтосекундной лазерной спектроскопии, с помощью которых можно получать химическую карту биологического объекта и даже наблюдать динамику изменения этой химической карты. Это важно для того, чтобы понимать, что происходит в живой клетке.
Новое направление, которое у нас развивается в последние годы, – это фемтосекундная лазерная нанохирургия. Смысл этой методики заключается в том, чтобы с помощью специальных лазерных устройств можно было с помощью очень деликатно сформулированного светового пятнышка залезть внутрь клетки, не разрушая внешней мембраны, и там провести определенные хирургические операции. Минимальный набор для хирургической операции – это скальпель и пинцет, а здесь обе функции выполняет специальным образом организованный световой пучок лазера.
– Это применяется в офтальмологии?
– Это, скорее, связано с проблематикой генетического редактирования, когда вы можете порезать хромосому, разрушить ту или иную органеллу, слить две выбранные вами клетки и создать некую гибридную клетку. Эта технология представляет интересы для широкого круга задач, начиная с ЭКО и заканчивая генетическим редактированием при разного рода патологиях.
А второе направление, тоже очень интересное, связано с сельским хозяйством. Это получение новых сортов, работа с растительными клетками.
Появились и новые направления. Например, связанные с сенсорикой. Его развивает Леонид Израилевич Трахтенберг. Развивается химия полимеров. Это направление ведет научный руководитель института, академик Александр Александрович Берлин. Здесь работали выдающиеся люди, такие как Сергей Николаевич Ениколопов, Леонид Исаакович Маневич. Это разработка материалов с новыми свойствами. Необходимы полимеры, которые быстро утилизируются и деградируют. Есть другого типа задачи – это создание полимерных материалов, которые бы удерживали экстремальные температуры. Есть у нас и суперприкладные работы. Например, самая большая инновация 2019 года – это мост через Амур, покрытый асфальтом, наполненным резиновым порошком, который получают из покрышек автомобилей. Наши порошки оказались суперпорошками по одной простой причине: Вадим Геннадьевич Никольский, один из старейших сотрудников нашего института, развил очень интересную технологию утилизации старой резины, когда при ее перемалывании получаются частицы наноразмеров. Такой материал не трескается и не повреждается. Это важно и потому, что там большие перепады температур, и потому, что высокая влажность. Игра на этих нанозазорах оказалась принципиальной, и физико-химические свойства здесь чудо как хороши.
– Расскажите, пожалуйста, какие планы, перспективы у института?
– Мы уделяем большое внимание работе с молодежью, и с этим я связываю наши перспективы. Сейчас, например, развивается очень интересное направление, связанное с масс-спектрометрией, протеомикой. Я возлагаю большие надежды на развитие направления, связанного с лазерной хирургией. Безусловно, большие надежды на то, что делает отдел горения и взрыва. Надеюсь, их работы приобретут промышленное воплощение. Конечно, есть объективные проблемы Центра как живого организма, мы с ними по мере сил справляемся, пока держимся. Вдохновляет и дает сил то, что работы, которые здесь ведутся, действительно крайне важны и нужны и стране, и людям.
