«Мы умеем выращивать “полезный” свет»

Что такое дендримеры? Какие здесь имеются отечественные разработки? Почему сегодня важна органическая электроника и где она применяется? Можно ли создать полностью разлагаемые полимеры? Как сделать электрическое освещение полезным для глаз? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Сергей Анатольевич Пономаренко, директор Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова.  

— Сергей Анатольевич, вы пришли в этот институт много лет назад. Помните это время? Довелось ли застать основателя и первого директора этого института академика Николая Сергеевича Ениколопова, столетие которого отмечается в этом году?

— Я пришел сюда еще студентом в 1991 г. Я тогда учился на химическом факультете, на кафедре высокомолекулярных соединений, был в специализированной группе, занимающейся полимерами, и там было так принято, что студенты занимаются научной работой с первого курса. Тогда к нам пришли разные научные руководители звать заниматься своими тематиками. Одна из них была посвящена дендримерам, и у нас выступал Азиз Мансурович Музафаров, будущий академик, тогда доктор наук. Рассказал о новом перспективном направлении, которое развивается в этом институте. Наверное, одно из главных фундаментальных открытий, сделанных в институте за последние годы, — дендримеры, сверхразветвленные регулярные макромолекулы. Их еще называли «объемно растущие макромолекулы». Я пошел в лабораторию Валерия Петровича Шибаева — теперь члена-корреспондента РАН, тогда профессора, — и меня заинтересовали жидкие кристаллы. Это промежуточное состояние между кристаллом и жидкостью — такая упорядоченная жидкость.

— А в чем смысл жидкого кристалла?

— Кристалл имеет трехмерный порядок, а жидкость вообще разупорядочена. Если в них есть двухмерный или одномерный порядок, то получаются жидкости, как правило, состоящие из палочкообразных молекул. Они либо ориентированы вдоль одного направления, либо упорядочены в плоскости. Порядок между ними отсутствует. Я заинтересовался жидкими кристаллами, и мой научный руководитель предложил мне сделать совместную работу между ИСПМ и химфаком МГУ — синтезировать жидкокристаллические дендримеры. Синтезом я приехал заниматься сюда. Я приходил, что-то синтезировал под руководством Евгения Анатольевича Реброва — он, к сожалению, уже ушел из жизни. Были получены первые жидкокристаллические дендримеры. Они интересны прежде всего с фундаментальной точки зрения — как необычная форма таких молекул изменит их свойства.

Директором тогда был Н.С. Ениколопов — я его мельком видел, он умер уже в 1993 г. Личных воспоминаний о нем, к сожалению, у меня не осталось. Зато потом я познакомился с его наследием. Особенно погрузился в этот вопрос в этом году, когда мы отмечали столетие со дня его рождения и решили издать мемориальный альбом с воспоминаниями тех, кто с ним работал, фотографиями, информацией об институте, как он был основан, что в нем сейчас происходит. Наш институт — главное научное наследие Н.С. Ениколопова. Институт помнит и чтит своего основателя, и 13 марта, ровно в его день рождения, каждый год у нас проходят Ениколоповские чтения.

— Чем была вызвана необходимость создания института?

— Н.С. Ениколопов был учеником академика Н.Н. Семенова, лауреата Нобелевской премии, который получил ее за открытие цепных реакций. Они бывают разные: и горение, и взрыв — все это цепные реакции. Многие полимеры тоже получаются с помощью цепных реакций. После получения Нобелевской премии Семенов съездил в США, и на него произвело большое впечатление то, что у них уже выпускают синтетические полимеры, синтетические шубы из полимеров, очень легкие и удобные. Он удивился, почему у нас такого нет, — давайте тоже получать.

Это были еще 1960-е гг., в то время Николай Ениколопов был молодым ученым и ему поручили заниматься кинетикой реакций полимеризации, изучать механизмы, которые помогают регулировать структуру макромолекул, определяющих их свойства. Тогда Ениколопов начал заниматься полиформальдегидами — это достаточно сложный, нестабильный полимер. Он нашел способы их получения. В 1968 г. был создан Научный совет по синтетическим материалам при президиуме АН СССР и в нем — секция по высокопрочным материалам, которую в 1972 г. возглавил Н.С. Ениколопов. В то же время было принято решение о финансировании строительства лабораторного корпуса площадью 3 тыс. м², а в 1981 г. вышло распоряжение Академии наук СССР о создании института. Его достаточно долго строили, десять лет. Финансирование проходило от военного ведомства: понятно, что полимеры имеют не только гражданское применение. Полимерные композиты используются и в военных изделиях: самолетах, ракетах, подводных лодках.

Тогда существовало очень тесное сотрудничество с промышленными предприятиями. Н.С. Ениколопов возглавлял эту кооперацию. Здание достроили и ввели в эксплуатацию только в 1986 г. Ученых собирали из разных групп, одной из которых руководил А.М. Музафаров, который занимался кремнийорганическими соединениями. Так в институте появились разные направления, одно из которых — кремнийорганические полимеры. Этим направлением стал заниматься и я вместе с Е.А. Ребровым. Другие направления были связаны с переработкой полимеров, со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. Есть разные технологии — в частности, у нас развивается технология сухой переработки, когда в специальных условиях синтезируют порошок, сплавляют и получают высокопрочные ленты, из них — нити, по прочности как сталь, но при этом легкие, как полимер.

— Где их можно применять?

— Много где. Например, делать очень легкие и прочные канаты, ткани. Можно использовать в Арктике, потому что у полиэтилена очень низкая температура стеклования, соответственно, он до низких температур не теряет своих полезных свойств.

— Какие еще у вас есть собственные, оригинальные разработки?

— Если говорить с фундаментальной точки зрения, то это новая форма организации полимерной материи — дендримеры. Там самое интересное происходит на больших генерациях. Молекула растет послойно, как шарик, и эти шарики начинают вести себя по-особому. На больших генерациях они зацепляются между собой, и за счет зацепления между шариками появляется отдельная температура стеклования. Они начинают себя вести не как обычные жидкости или полимеры.

— В чем преимущество тех, которые разработали в вашем институте?

— Кремнийорганические дендримеры — это материалы, очень стабильные и к окислению, и к высоким или низким температурам. Пока это фундаментальное исследование, практического применения оно не нашло. Но в мире есть разные разработки — например, инкапсуляция катализаторов, что приводит к повышению их эффективности. Надо сказать, что в фундаментальных исследованиях только 3% разработок оказываются практически применимы. Но без остальных 97% эти 3% не родились бы.

Тот же высокомолекулярный полиэтилен: его применяют во многих областях. Мы разрабатываем свою технологию, экологически чистую. Если вспомнить Н.С. Ениколопова, одним из направлений его деятельности был твердофазный синтез, который заключается в том, что вещества просто смешивают и перемалывают под воздействием сильных механических полей или в экструдере, на наковальне Бриджмена, и там происходят химические реакции. Это очень перспективная вещь с точки зрения экологии, потому что обычно все химические вещества, в том числе полимеры, получают с помощью растворов. Растворители — это, как правило, органические вещества, они бывают вредными. И это дополнительные расходы — на их очистку, утилизацию. А если все делать просто механохимией, то это и проще, и дешевле. Есть ряд веществ, которые делаются именно так. У нас это направление продолжается, есть лаборатория механохимии полимеров, которой в настоящее время руководит доктор наук Татьяна Анатольевна Акопова. В основном они перерабатывают биосовместимые системы — хитозаны, хитины. Это отходы производства морепродуктов, например панцири крабов. Из них можно делать различные БАД. Кроме того, много работают с гиалуроновой кислотой, которая входит в состав многих кремов для улучшения состояния кожи.

— Во всем мире и в частности в нашей стране существует проблема биоразлагаемых полимеров. По этой части у вас есть какое-то движение вперед?

— Да, у нас в 2022 г. произошла реструктуризация: в институте было создано четыре отдела, один из которых называется «отдел биополимеров», — его возглавляет член-корреспондент РАН Сергей Николаевич Чвалун. В этом отделе несколько лабораторий, одна из них — молодежная, как раз создана три года назад, по биоразлагаемым полимерам. В основном это полилактиды, различные сополимеры молочной кислоты. Они разрабатывают методики синтеза. Есть индустриальный партнер. Полилактид интересен тем, что он по-настоящему биоразлагаемый.

— А есть не по-настоящему?

— Биоразлагаемые полимеры можно разделить на две части. Первая часть — это когда в обычные полимеры добавляют биоразлагаемые части, например крахмал, это технология конца ХХ в. Из них в свое время начинали делать пакеты, которые потом рассыпаются — крахмал разлагается. Сейчас эта технология утрачивает свою популярность, потому что в результате нее образуется микропластик и вокруг этого много шума.

— А вы делаете полностью разлагаемый?

— Да, полностью разлагаемый полилактид. Там тоже много своих тонкостей: он, с одной стороны, разлагаемый, с другой — разлагается, если его греть, на него действуют влага, солнце. Если его просто закопать в землю, он будет лежать очень долго. Поэтому нужно сделать какие-то добавки, которые ускоряют этот процесс. Здесь надо понимать, что истинно биоразлагаемые полимеры, тот же полилактид, всегда дороже, чем полиэтилен. Чтобы заменить полиэтиленовые пакеты на биоразлагаемые, нужно политическое решение — запретить то, что дешево, а это не так просто.

— Просто в магазинах будут лежать более дорогие, но биоразлагаемые пакеты, и люди будут вынуждены их покупать. Или ходить, как раньше, с авоськами. 

— Вы правы — все это было в советское время. Бумага, бумажные пакеты постепенно возвращаются. Науку не остановить. Но из полилактидов делают не только пакеты, а еще и, например, выпускают медицинские изделия, этому тоже посвящены разработки отдела.

— Что это за медицинские изделия?

— Например, когда делают операцию, нужны шовные нити. Было бы хорошо, если бы их не нужно было извлекать, а они бы сами разложились. Или биоразлагаемые шурупы для протезов.

— Отсутствие в стране биоразлагаемого шовного материала — очень большая проблема, об этом говорят все хирурги.

— У нас есть такая разработка, но от разработки до конкретного продукта путь очень длинный — нужно оптимизировать синтез, научиться получать в больших количествах, посчитать экономику, какие-то процессы упростить, удешевить. Есть конкуренция — когда новая технология выходит на рынок, старая сопротивляется, и те люди, которые вложились в старую технологию, не пускают новую. Тут много чего, не связанного с наукой. Но разработки есть, ребята этим активно занимаются.

— Какие еще научные направления у вас развиваются?

— У нас есть отдел синтетических полимеров и полимерных наноматериалов, где получают кремнийорганические системы. Там большая лаборатория синтеза элементоорганических полимеров академика А.М. Музафарова. Буквально вчера мы слушали предзащиту докторской диссертации текущего руководителя лаборатории Александры Александровны Калининой, где видно, какой огромный пласт работы был сделан, чтобы разработать технологию третьего поколения кремнийорганики, основанную на алкоксисиланах. Раньше все базировалось на хлорсиланах. Это вредная технология, поэтому раньше были заводы, где работали заключенные. Сейчас этого нет, заводы закрылись и, чтобы их восстановить, нужно вложение больших средств.

Академик А.М. Музафаров предлагает новую концепцию — делать все это, начиная с прямого синтеза алкоксисиланов, а их химические превращения в активной среде позволяют создавать очень сложные продукты, которые раньше получались многостадийным способом, с не очень контролируемым составом. Сейчас же их научились получать одностадийно, с контролируемой молекулярной структурой. Это реально новое направление, которое активно продвигается.

Еще один отдел — полимерных конструкционных материалов. Он занимается сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, о котором я рассказывал, и другими разработками. Третий отдел — биополимеров, и четвертый — органической электроники, это отдел, в который превратилась моя лаборатория.

— Что такое органическая электроника?

— Органическая электроника основана на органических полимерах. Обычная электроника завязана на кремнии или неорганических полупроводниках, но оказалось, что целый ряд полимерных и низкомолекулярных соединений проявляют полупроводниковые свойства, из них даже можно сделать проводники. Такие полупроводники могут быть гибкими в отличие от кремния, легкими, прозрачными. Это целый пласт новый электроники.

Там есть разные устройства: органические транзисторы, светоизлучающие диоды, фотовольтаические фотоэлементы. Есть и различные сенсоры, лазеры, светоизлучающие транзисторы. Технология органической электроники постепенно входит в нашу жизнь — скажем, у многих смартфонов экраны из органических светоизлучающих диодов, матрицы из которых пришли на смену жидкокристаллическим. Суть в том, что светится вся плоскость. А когда у нас обычный светодиод, неорганический — это точечный источник излучения. Опять же, эта светящаяся плоскость может быть гибкой, прозрачной, разноцветной. Пока это достаточно дорогая технология, но в смартфонах уже используется.

— Вряд ли в нашей стране будут делать свои смартфоны...

— Сейчас, конечно, сложно, но в свое время для дисплеев были закуплены такие технологии, для которых уже сейчас требуется импортозаместить материалы и развивать их дальше.

— А где можно применять такой дисплей?

— Сначала нужно импортозаместить материалы в тех дисплеях, которые выпускаются по западным технологиям, потому что сегодня их нам просто не продают. Потом можно это развивать, у нас под это была создана отдельная молодежная лаборатория фото- и электрофизики органических полупроводников, которая занимается разработкой новых материалов для органических светодиодов и внедрением их у промышленного партнера на существующей линии производства. Там появляются новые материалы, новые подходы повышения эффективности, стабильности — это все разрабатывается в нашем институте.

Я начинал с транзисторов — мы много работали по материалам для них. Раньше, с момента создания в 2011 г. лаборатории, мы в основном сотрудничали с западными партнерами, для которых синтезировали материалы, а они их у себя дальше исследовали. После 2014 г. связи с западными компаниями стали рваться, и сейчас мы работаем для наших заказчиков. Мы в свое время создали два стартапа: один из них синтезирует и продает люминесцентные материалы, другой — технологии печатной электроники. В идеале он должен выйти на то, чтобы печатать устройства. Органические транзисторы не только гибкие, но и чувствительные к окружающей среде: можно делать на них сенсоры, например на токсичные газы: сероводород, аммиак, диоксид азота. У нас существуют такие разработки. Их можно использовать либо в экологических целях, либо для контроля качества пищевых продуктов. У нас сейчас есть проекты, связанные с разработкой «электронного носа» для диагностики здоровья человека по выдыхаемому воздуху. При этом мы делаем не только материалы, но и сами устройства.

— Вы упомянули также фотовольтаику. Что это такое?

— Это очень интересное направление исследований, которое мы развиваем в сотрудничестве с другими с институтами и университетами в рамках крупных научных проектов, финансируемых Минобрнауки России. У нас сейчас два таких проекта. Один связан с разработкой печатных транзисторов на основе органических полупроводников: там задача — получить высокоэффективные органические полупроводники для печати из них транзисторов. Здесь нужны полимеры с высокой подвижностью носителей заряда. Другой проект связан с новыми материалами для фотовольтаики на основе органических полупроводников. Она тоже может быть гибкой и легкой, но наша главная задача — разработать не только материалы, но и сами устройства, которые коллеги будут запускать в космос, чтобы понять, насколько они там применимы.

— Для чего это нужно?

— У органической электроники есть свои недостатки, связанные с тем, что она чувствительна к кислороду, к влаге, и эти устройства надо защищать. В космосе всего этого нет, зато там есть ионизирующее излучение. Надо понять, насколько органические полупроводники выдержат это излучение. Есть определенные перспективы, что они будут лучше, чем неорганические. Их преимущество в том, что они легкие и их можно скрутить для запуска на орбиту, а потом уже в космосе развернуть. Если получится, это будет большой прогресс.

— Вы говорите о том, что осуществлено огромное количество разработок, есть еще большее количество идей, но все это внедряется в очень малых количествах. А ведь было бы так здорово, если бы все это заработало. Не таких мыслей?

— С этим всегда были проблемы, это всегда сложно. Я приводил статистику, что только 3% фундаментальных исследований входят в нашу практику — и это статистика по всему миру. Здесь надо брать только количеством: если у вас три разработки, то существует большая вероятность, что ни одна из них не выйдет на рынок. Если у вас их 100, с большой вероятностью три выйдут на рынок.

— Вы относитесь к этому спокойно: так и должно быть, ведь так и есть во всем мире?

— Да. Мы стараемся сделать все, что можно, — много усилий направляем на то, чтобы получить практически важные разработки. Начиная с органических полупроводников, мы работали в обычных условиях, в то время как наши коллеги работали в главбоксах — это специальные перчаточные боксы с инертной атмосферой, чтобы в воздухе не было кислорода и влаги. Мы по бедности своей обходились без этого и имели дело только с наиболее стабильными материалами. Но они сейчас оказываются наиболее востребованными — это естественно, их меньше надо защищать. Всегда можно найти положительные моменты в тех трудностях, которые нас окружают.

— Какие из ваших разработок вам бы обязательно хотелось внедрить?

— Промышленного производства пока ни у каких разработок нет, сделаны прототипы «электронного носа», газовых сенсоров, органической фотовольтаики. Но хотелось бы, чтобы все это дошло до применения: солнечная батарея — до космоса, органические светодиоды — до потребителей, «электронный нос» оказался востребован.

— Есть ли у вас научная мечта?

— Есть у нас одна разработка, связанная с безопасным светом. Мы сейчас все используем неорганические светодиоды — LED. Их излучение вредно для глаз, потому что его спектр не похож на солнечный: там есть провал в области 450 нм, а это как раз длина волны, отвечающая за расширение зрачка. Когда на нас светит яркий LED, зрачок думает, что он не такой яркий, и расширяет его больше. Это приводит к повреждению глаз. Есть работы по этому направлению — про гигиену зрения, освещения. Есть энтузиасты, работающие в этой области, — с помощью своих люминофоров мы можем скорректировать свет обычного светодиода так, чтобы он стал безопасным.

— А как?

— Поглощаем вредные коротковолновые излучения и излучаем там, где не хватает. И в итоге выращиваем полезный свет.

— Это дорого?

— С точки зрения самих материалов — нет, но технология дороже, чем обычная. Сейчас появляются более дорогие светодиоды, состоящие из большего количества разных излучателей, которые покрывают этот спектр. Мы предлагаем улучшать существующие дешевые светодиоды. Это наше ноу-хау. Мы рассказывали про это на конкурсе инноваций правительства Москвы два года назад, даже получали призы, пытались взаимодействовать с промышленными партнерами, но они посчитали в экономическом аспекте и пока не заинтересовались. Одно дело идея, другое — технология. Но энтузиасты сейчас продолжают работать в этом направлении, улучшать эту технологию. Мы надеемся, что все получится.