Материалы портала «Научная Россия»

0 комментариев 1455

Не хлором единым. "В мире науки" №4-5, 2020

Не хлором единым. "В мире науки" №4-5, 2020
Сложно предположить, что кипящие в пробирках жидкости — это прообразы материалов будущего, которые дадут нам принципиально новые возможности во всех областях жизни, включая медицину

Сложно предположить, что кипящие в пробирках жидкости — это прообразы материалов будущего, которые дадут нам принципиально новые возможности во всех областях жизни, включая медицину. На основе этих хитрых соединений в нашей стране прямо сейчас возрождается силиконовая промышленность, без которой, оказывается, у нас нет будущего.

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова (ИНЭОС РАН) когда-то был лидером в этой области. А сейчас ему предстоит вернуть нашей стране позиции одной из мировых силиконовых держав. Задача не из легких, но вполне выполнимая, уверен академик Азиз Мансурович Музафаров, заведующий лабораторией кремнийорганических соединений ИНЭОС.

Азиз Мансурович, ваша лаборатория носит имя академика К.А. Андрианова. Почему?

Академик К.А. Андрианов — отец химии силиконов и основатель этого направле­ния в Советском Союзе. Поэтому на нас лежит ответственность за продолжение этого дела. Советский Союз входил в четверку вы­сокоразвитых стран, у которых был полный цикл производства силиконов. Но потом мы это все благополучно утратили. Теперь наша глобальная задача — выйти на техно­логии следующего поколения. Мы сегодня фактически создаем научную основу этих технологий, которые базируются на нашем предыдущем опыте. Это наше кредо. Пре­дыдущие поколения основывались на ис­пользовании хлора, и поэтому наши моно­меры называются хлорсиланами. Там один из компонентов — хлор, от которого по­том приходится избавляться. А это задача не из простых. В следующем поколении тех­нологий основой будут силиконы без приме­сей хлора.

Для чего нам нужны силиконы?

Силиконы — это соль земли. Если мы с вами посмотрим вокруг, то увидим, что на мне, на вас, на ваших коллегах — всюду обязательно есть силиконы.

Шампуни, зубная паста, наша одеж­да — во всем этом на определенных стади­ях производства присутствуют силиконы. Они дают необходимые компоненты для космических, авиационных технологий. Надо сказать, первое применение силико­нов произошло еще перед Второй мировой войной, но боевое крещение они получили в ее ходе. Андриановскими силиконами про­питывали картонные авиационные баки, которые крепились на подвеске к крыльям бомбардировщиков, и это заметно увели­чивало дальность полета. Это весьма ути­литарный процесс: баки можно было потом сбросить — не жалко, ведь они дешевые. Это одно из сохранившихся до сего време­ни применений силиконов как гидрофобизаторов — веществ для обработки тканей, бумаги, строительных материалов и т.д., которые придают им водоотталкивающие свойства. Они используются в том числе в экстремальных условиях, где нормальные полимеры не работают: это низкие и очень высокие температуры. Есть у них и ряд дру­гих преимуществ — например, их можно в ноль переработать в исходные мономеры, или компоненты. Это свойство — залог их дальнейшего развития и распространения.

Насколько дешево и безвредно их производство?

Это как раз наша первоочередная зада­ча — сделать их дешевле, а само производ­ство — безвредным. А еще у нас есть зада­чи, так сказать, для души. Мы занимаем­ся совершенно новой формой полимерных систем, которая называется дендримера- ми. Если обычные полимерные молекулы схематически можно изобразить условным шнуром, или гибкими цепочками, то ден- дримеры — это шары, сферические фигуры. Невероятно красивые. Я сегодня шел на ра­боту, и весь мой путь был устлан схематиче­скими изображениями дендримеров — так вымерзает влага на сухом асфальте, когда снега еще нет. Нынешняя зима для нас на­стоящая находка в плане образования дендримеров. Они у нас буквально под ногами валяются.

А мы-то огорчаемся, что снега нет...

А для меня это буквальная схема на­ших макромолекул. Правда, в реальности они объемные, а рисуем мы их планарны­ми. Мы занимаемся синтезом таких фрак­тальных систем, развивающихся самопо­добно, то есть любой участок похож на всю молекулу в целом. Это направление суще­ствует во всем мире, но мы здесь среди пио­неров. Мы открыли новые свойства этой ма­терии. Ведь мало синтезировать что-то но­вое — надо понять взаимосвязи. Да, очень красивая форма. Говорят, красивая вещь не может быть бесполезной.

Писатель и ученый И.А. Ефремов на­зывал красоту наивысшей целесообраз­ностью.

Наши авиационные конструкторы ча­сто говорят, что красивая машина не может плохо летать. Поэтому понять, разгадать, для чего такие формы могут быть исполь­зованы, в чем заключаются их уникальные свойства, — тоже наша задача. Так вот, выяснилось, что эти молекулы не только при­влекательно выглядят, но и действитель­но уникальны в том смысле, что обладают абсолютно необычным набором свойств. Мы разгадали эту загадку и сейчас близки к тому, чтобы создать на их основе матери­алы, которых раньше никогда не было. Мы говорим, что дендримеры — это новый вид полимерной материи. Это наш путь в зав­тра, именно на этом пути рождаются новые реакции, новые реагенты, новые материи.

А вот вывести нашу промышленность на новый уровень, не используя хлор, вновь стать силиконовой державой — это наше се­годня. И эти две линии кружатся и перепле­таются в наших колбах и реакторах, взаи­мообогащая друг друга новыми подходами и идеями.

Звучит поэтично. Вы все время го­ворите о том, что нам надо отказаться от хлора. Чем он так плох?

Хлор очень плох в различных вариан­тах отходов, особенно при их переработ­ке. Да и сами по себе хлорсиланы вредны.

Например, некоторые из них — отравляю­щие вещества, подобные тем, которые ис­пользовались на фронтах Первой мировой войны. Людей травили хлором, фосгеном...

При этом мы плаваем в хлорирован­ных бассейнах. Это мы травимся?

Вредность любого яда зависит от кон­центрации. Используя его в минимальных количествах, мы травим микроорганизмы, но на нас он действует существенно меньше. Однако в целом ничего полезного в хлори­ровании нет. Понятно, что любое массовое скопление людей в общественных местах предполагает дезинфекцию. Но если есть возможность использовать чистую воду без ее обработки, то это намного л учше. Вот только мест таких все меньше и мень­ше. Кроме того, у многих людей аллергия на хлор и они не могут купаться в таком бассейне. Хлор нельзя клеймить, он очень удобный и полезный элемент, но в меру. Чем больше его в наших технологиях, тем хуже. Большая беда — это наш линолеум. Это ор­ганический хлор — поливинилхлорид, кото­рый не горит. Когда он попадает на свалки, где потом сжигают мусор, образуются ди­оксины — опасные яды, которые очень пло­хо контролируются и могут в самый неожи­данный момент «выстрелить» в наше буду­щее. Бесхлорные технологии важны с точки зрения массового производства. Сейчас мы работаем над третьим поколением наших новых силиконовых технологий, но уже про­сматривается и четвертое.

Кто сейчас лидирует в этом направ­лении?

Сейчас Китай — лидер на мировом рынке. 75% силиконов производится в Под­небесной. При этом 20 лет назад в Китае не было ни одного производства, а сегодня мы видим, как на пустом месте при боль­шом желании и государственной поддерж­ке можно создать целую индустрию второ­го поколения силиконов, основанных на так называемом хлорном переделе. В Советском Союзе было четыре завода по производству силиконов. Сегодня нет ни одного.

Насколько сложно их возродить?

Это вполне посильная задача, если соз­дать технологии третьего поколения. Вот мы и переходим на алкоксисиланы, исключаем хлор, тогда производство силиконов становится массовым. Есть много областей, из которых они вытеснят более вредные ве­щества. Здесь стоят глобальные задачи. Мы даже придумали девиз: больше силико­нов — чище планета. Силиконы перераба­тываются полностью. Они не оставляют ни­каких отходов. Они безвредны, поэтому их и используют в качестве имплантов. Сфе­ры их применения огромны. Вот, например, плитка на тротуарах — она должна быть обязательно прогидрофобизирована сили­конами, иначе она будет растрескиваться в циклах «мороз — оттепель».

Вот почему в Москве плитка треска­ется — сэкономили на силиконах!

Это правда. Потому что нет своего про­изводства силиконов, они все импортные, а значит дорогие. А ведь в период расцве­та нашего силиконовой промышленности, в 1991 г., Советский Союз произвел 100 тыс. т. А сейчас те же 100 тыс. т мы им­портируем. Без силиконов мы обходить­ся не можем, поэтому теперь мы их ввозим. К нашему счастью, научный комплекс, который был в советские годы, сохранился.

В стране было несколько кремнийоргани­ческих школ. Самые сильные — в Санкт- Петербурге, тогда еще Ленинграде, в Ниж­нем Новгороде, Иркутске. Но наша лабора­тория всегда была головной. Мы и сейчас проводим Андриановскую конференцию, на которую каждый раз съезжаются веду­щие специалисты по этой части. Поэтому у нас остаются надежды на то, что, не поте­ряв нашу научную составляющую, кадры, мы еще успеем поучаствовать в мировой силиконовой гонке и, может быть, даже ее возглавить. А если этого не произойдет, мы останемся на обочине прогресса. Так что ставки сделаны.

Как выглядит ваша работа? Что кон­кретно здесь, в лаборатории, вы делаете?

Звучит немного пафосно, но мы тут де­лаем материалы будущего. То, что вы здесь видите, должно стать основой нашей жизни — производства, медицины, всего, что связано с насущными потребностями че­ловека. Алкоксисиланы никто на блюдечке не приносит, и мы занялись технологией их получения. У нас есть установки, на кото­рых мы из кремния и спирта делаем алкок- сисиланы. Это первая наша ласточка, когда мы с помощью принципиально новых под­ходов, минуя хлор, получаем новые веще­ства, с которыми можно работать и на ко­торые можно ставить значительную часть процесса получения новых материалов. В нашей лаборатории работы ведутся ши­роким фронтом. Вот, например, под этой тя­гой идет круглосуточная работа. Стоят ка­меры для ночного наблюдения, потому что каталитические реакции, которые здесь проводятся, позволяют модифицировать кремнийорганические мономеры и их нель­зя останавливать. Зачастую остановка для катализатора означает потерю активности.

Помимо того что надо избавиться от хлора, нужно создавать новый сили­коновый рынок. Это ведь тоже непростая задача?

Непростая. Создавать новые вещества с новыми свойствами — полдела, найти для них новые области применения значитель­но труднее. Вот, допустим, сейчас мы при­выкли к тому, что в химчистке нашу одежду чистят хлорсодержащими растворителями, очень удобными, технологически отрабо­танными. Но они вредные — это яды для пе­чени. Люди, которые работают на фабри­ке химчистки, так или иначе дышат этим ядом. А силиконовые жидкости не менее эффективны, но безвредны. Соответствен­но, это пример выхода на новые безопасные технологии, новые рынки.

Или, допустим, силиконовые шины. Про­цесс утилизации нынешних шин очень энергозатратен и страшно токсичен, чего только в них нет. А силиконовые полимеры мы можем перерабатывать в исходные мо­номеры, и такие шины по полному циклу «производство — эксплуатация — утилиза­ция» отличаются от существующих как небо от земли. Вот вам и бескрайний рынок. Весь интерфейс использования алкоксисиланов в производстве силиконов у нас разработан, то есть практически любой продукт, кото­рый раньше получался из хлорсиланов, мы теперь можем получить без хлора. Осталось создать новый рынок силиконов, и шины здесь очень подойдут. Это наша глобальная задача, и мы сейчас пытаемся выйти с та­кими идеями на международный уровень. Ведь чистая среда и удобная планета нуж­ны всем. Здесь нет ничего невозможного.

Мы и молодежи объясняем, что не должно быть тормозов, которые мешали бы осущест­влять свои задумки. В качестве примера я всегда привожу на лекциях следующий: ког­да появился полиэтилен, это был порошок, который образовывался на дне реактора, и с ним не знали, что делать. Потом из него научились делать пакеты, а сейчас из него делают бронежилеты. Это все тот же самый полиэтилен, у него та же химическая фор­мула. И только понимание того, как устрое­ны его цепи, как можно сделать их намного длиннее, как их уложить, приводит к тому, что у нас в десятки и тысячи раз увеличи­лась прочность. Вспоминаю полиэтиленовый пакет, который появился в моей молодости: в него нельзя было положить две бутылки мо­лока — сразу рвался. А сейчас мы в полиэти­леновых сумках носим весь «Ашан». В прин­ципе, практически у каждого полимерного материала огромный потенциал в координа­тах «структура—свойства». То есть вы управ­ляете структурой и таким образом регули­руете свойства. Вот в этих координатах мы и стараемся работать. Это высший уровень управления свойствами материала.

Что еще важного, связанного с сили­коном, может появиться в ближайшее время?

Огромную роль будут играть медицин­ские применения силиконов. Скажем, сей­час в аптеке продается энтеросорбент «Энтеросгель», очень популярный и эффек­тивный. Это чистый силикон, на основе которого возможно создать целый пласт  материалов, необходимых в фармакологии. Всем известен «Эспумизан». Это тоже сили­кон из разряда пеногасителей. Мы не дела­ем лекарства, но мы делаем новые вещества, которые обладают более продвинутыми свойствами по сравнению с существующим. Есть и немедицинские применения. На­пример, на основе силикона мы сейчас де­лаем вещество для обработки свалок. Это очень мощный сорбент, который отличает­ся от силикагеля или активированного угля тем, что он амфифильный, то есть прояв­ляет фильность и к воде, и к органике. Это не ликвидирует свалки как таковые, но по­зволяет их консервировать и постепенно пе­рерабатывать, не вызывая неудобства для окружающих. Так что у силиконов хорошие и практически бескрайние перспективы.

Нынешние производители не пыта­ются вам мешать?

Некоторая косность, конечно, имеется. Но уже сейчас общество всерьез обеспокои­лось экологическими проблемами. Некоторые производители озабочены тем, что ве­щества, получаемые в результате деятель­ности их производств, слишком инертные, то есть они будут накапливаться в атмосфе­ре, соответственно, в воде. До поры до вре­мени это безвредно, но раз их никто не ест и природа их не уничтожает, экологический баланс будет обязательно нарушен. С сили­конами ничего подобного не произойдет. Мало того, мы думаем, что поверхности мо­рей и океанов, где существуют солевые рас­творы, можно рассматривать и как реак­торы по переработке силиконов. Ведь еще одно их уникальное свойство — то, что они поверхностно активны, то есть всегда кон­центрируются в поверхностном слое. И вот здесь-то на них воздействуют и солнечный ультрафиолет, и вода, и соль, так что они быстро распадаются на составные части и в идеале возвращаются в свое исходное вещество — песок, из которого мы их изна­чально и получаем.

Это возможно?

Да, в принципе, это возможно. Теперь мы говорим, что из песка будем делать ал- коксисиланы, из алкоксисиланов силико­ны, потом силиконы будут превращать­ся в песок. Вот идеальный цикл, кругово­рот веществ в природе. Кремний — самое распространенное вещество в земной коре. Поэтому мы можем решить с его помощью множество проблем, не навредив ни себе, ни природе. Помню, во времена моей молодости случился нефтяной кризис и мы с беспокой­ством говорили о том, что дорожает нефть, обсуждали, как это скажется на рынках по­лимеров. А К.А. Андрианов вошел вот в эту лабораторию и говорит: «Вас-то почему это волнует? Песка на планете хватит на всех. Песок — вот наше сырье!»

Значит, будет у нас своя силиконовая промышленность?

Я абсолютно уверен, что будет. Если мы создадим хороший силиконовый рынок, можно будет говорить о том, чтобы у нас производители строили заводы. Тогда наши бизнесмены заинтересуются. Бизнесменов не интересует химия, их интересуют день­ги. Поэтому, когда они увидят, что могут на этом заработать, все получится.

В Китае силиконовую промышлен­ность поддержало государство. У нас на государство можно не рассчитывать?

В последнюю очередь. Есть такая пого­ворка: хочешь помочь — не мешай. Вообще, я с большим оптимизмом смотрю в силико­новые перспективы нашей страны, пото­му что вырастил целую плеяду молодых та­лантливых ребят. Они не подведут.

Азиз Мансурович Музафаров, академик РАН, заведующий лабораторией кремнийорганических соединений ИНЭОС

 

 

Беседовала Наталия Лескова

академик азиз мансурович музафаров в мире науки 4-5 2020 институт элементоорганических соединений им ан несмеянова химия химия силиконов

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.