Полимеры: легче, надежнее, прочнее. Интервью с кандидатом хим. наук М. А. Солдатовым

Как известно, полимеры представляют собой сложные вещества, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. В зависимости от структуры и решаемых при использовании задач полимеры обладают различными физическими свойствами. Некоторые полимеры легко тянутся и обладают высокой эластичностью. Другие, напротив, отличаются твердостью. Но речь не только об искусственно созданных материалах. Белки, полисахариды, из которых состоят цепочки ДНК и РНК, тоже считаются полимерами. "Даже человек в каком-то смысле ходячий полимер", – подчеркнул в интервью молодой ученый Михаил Солдатов. Он несколько лет работал с китайскими коллегами над пористыми полимерами, которые можно использовать для очистки воды и воздуха. Подробнее – в нашем интервью.

− Полимерные материалы известны многим. И, в принципе, все уже привыкли к тому, что они окружают нас повсюду. Но, тем не менее, давайте вновь обозначим, что они собой представляют.

− Как говорилось в песне группы «Сплин»: «…Все на свете из пластмассы и вокруг пластмассовая жизнь». Действительно, полимеры окружают нас повсюду, и даже человек в какой-то степени – ходячий полимер. В целом, речь идёт о любых длинных молекулах, которые иногда называют макромолекулами или высокомолекулярными соединениями. Полимеры состоят из определённых, как правило, повторяющихся звеньев. Именно поэтому они такие длинные.

Кроме этой характеристики, полимеры обладают другим уникальным свойством − эластичностью. Это свойство присуще исключительно полимерным веществам. Плюс ко всему, из-за их высокой молекулярной массы, полимеры невозможно перевести в газообразное состояние: при нагревании полимер попросту разрушается раньше предполагаемой температуры кипения.

− Где полимеры используются сейчас?

− Везде. Любое лакокрасочное покрытие – полимерное. Все, что нас окружает, вся техника покрыта пластиком − полимером. Их можно встретить даже на производстве бумаги, потому что бумага – это целлюлоза. А целлюлоза – это природный полимер. Все ДНК, РНК, белки – это тоже разного рода полимеры.

Поэтому полимеры – это не только полиэтилен или пластик. Сейчас их активно используют в автомобилестроении, внедряют в сферу самолетостроения. Ведь они дешевле и легче металла.

− С другой стороны, мы постоянно с этим пластиком боремся. И при этом наращиваем его производство. Нет ли тут противоречия?

− Здесь встает вопрос цены и высокой функциональности. Сегодня зачастую дешевле получить что-то из пластика, а затем потратить деньги на его переработку, нежели создавать что-то из дорогого металла. Помимо этого, учёные проводят исследования, направленные на создание биоразлагаемых видов пластика. Будучи аспирантом, я узнал, что компания «Тойота», например, активно была заинтересована в производстве автомобильного бампера из разлагаемого пластика. Поэтому на сегодняшний день это очень перспективное направление, в том числе в науке о полимерах.

− Расскажите о специфике пористых полимеров? Как их используют?

− Пористые полимеры – это, собственно говоря, то направление, над которым я два года работал в Китае. У пористых материалов, как известно, очень высокая площадь поверхности. Самый наглядный пример пористых материалов, которые используются в быту – это активированный уголь. За счёт своей высокой площади поверхности и пористости активированный уголь способен вбирать в себя различные токсины из организма при отравлении. Поэтому одно из ключевых применений пористых материалов связано с адсорбцией.

Так вот китайские коллеги нацелены на использование пористых полимеров для очистки воды. В целом в Китае одна из основных проблем – нехватка качественной воды. Напомню, что из основных источников там две крупные реки – Янцзы, Хуанхэ, и море с солёной водой. Поэтому пресную воду необходимо как-то накапливать и генерировать.

Один из проектов был связан с очисткой сточных вод – с адсорбцией тяжёлых металлов, красителей и других вредных для человека элементов, попадающих в воду с производств. Я, в свою очередь, разрабатывал адсорбенты на основе определённых мономерных соединений, которые в иностранной литературе принято называть «building blocks». С помощью определённых реакций мы буквально собирали эти «строительные блоки-кубики» таким образом, чтобы образовывалась небольшая полость, то есть пора. Когда таких кубиков много, создаётся большая пористая структура. Я же решил пойти дальше и вводил функциональные соединения − фосфазены. Это направление активно развивается на кафедре технологии и пластических масс РХТУ имени Д.И. Менделеева. Как оказалось, такие соединения обладают хорошей адсорбционной активностью по отношению к тяжёлым металлам. В дальнейшем подобные подходы мы применяли и для адсорбции красителей, паров йода и углекислого газа.

Плюс ко всему, в Китае заинтересованы в использовании сжатого углекислого газа в качестве гидроразрыва пласта при добыче нефти. Обычно пласт разрывают с помощью воды. А у китайцев, как я сказал, с водой большая проблема. Зато углекислого газа много. Поэтому одно из перспективных применений связано с нефтедобычей.

И последнее направление, в которое я был вовлечён, посвящено использованию пористых материалов в качестве катализаторов. Чем больше площадь поверхности, тем лучше на этой поверхности могут протекать различные реакции. Помимо этого, есть и другое полезное свойство. Например, гетерогенные катализаторы не растворяются. После отработки, при помощи обычного фильтрования мы можем заново использовать их в следующем процессе.

− Как выглядят подобные полимерные «фильтры»?

− Как правило, полимер производится в виде порошка. Вы даже не поймете, что он пористый, поскольку поры очень мелкие – всего несколько нанометров. Поэтому специалисты используют электронную микроскопию в качестве одного из основных методов при исследовании таких полимеров.

− На основе каких элементов они создаются?

− В своей работе я использовал так называемые элементоорганические соединения, содержащие в своём составе кремний, фосфор, азот, углерод. Это направление находится на стыке органической и неорганической химии. Таким полимерам присущи плюсы как органических, так и неорганических соединений. Они обладают высокой функциональностью, их можно модифицировать для определённых применений. Кроме того, такие полимеры устойчивы к высоким температурам, различным воздействиям химических реагентов.

− Какова специфика их производства?

− Процесс лабораторного получения достаточно прост. «Ингредиенты» помещаются в колбу с магнитной мешалкой. Далее добавляются растворитель и катализатор, и затем смесь греется в течение нескольких часов, а иногда – дней. На выходе мы получаем раствор, в котором образуется пористый или сшитый полимер – то есть одна очень большая молекула – в виде порошкообразного продукта. Затем уже полученный порошок из колбы фильтруется, его промывают, сушат. И получается готовый продукт.

− Вы получили опыт работы в Китае. Насколько отличаются подходы в организации науки? Что можно привнести в отечественную практику?

− Надо сказать, что до этого я работал в научно-исследовательских институтах, в том числе академических, где основная деятельность связана исключительно с наукой. Хотя студенты, конечно, приходили. В образовательном учреждении опыта работы у меня не было. Поэтому, когда я приехал в Китай, то был приятно удивлен, что студентов уже с третьего курса привлекают к научной работе. И уже спустя год они начинают работать самостоятельно.

Сейчас я работаю в РХТУ, и замечаю, что здесь такая же система. Студентов стараются привлекать как можно раньше, чтобы они как молодые учёные быстро всему научились, в том числе, работать самостоятельно.

Чему у китайских коллег точно стоит поучиться, так это решению бюрократических формальностей. Хотя, казалось бы, в Китае бюрократия серьёзнее, чем у нас. При этом доступность необходимых материалов, реактивов в разы выше. Достаточно написать небольшой запрос, и через неделю нужный реактив доставят в лабораторию. В России за неделю даже документы на закупку не оформишь.

Чему бы им у нас поучиться? Я убежден, что главное преимущество России – в сохранении качественного фундаментального образования.

− Расскажите о нерешенных задачах в сфере пористых полимеров. Есть ли какие-то сложности, которые не позволяют внедрить их в повсеместный обиход?

− Начну с того, что один из типов полимеров относительно недавно стал очень популярен. В русскоязычной литературе такие полимеры известны как ковалентные органические каркасы. Это пористые полимеры высокой степени кристалличности, то есть они очень упорядоченные – буквально «кирпичик к кирпичику». А полимеры, которые получал я в Китае вместе с коллегами, аморфные. Их структура очень не упорядочена. Проще говоря, все фрагменты просто сцеплены случайным образом. Структура ковалентных органических каркасов, напротив, всегда ровная. Поэтому самая большая сложность состоит в их получении. В целом получение большого кристалла – непростая задача для неорганической химии. А чтобы получить кристалл на основе органических соединений требуется от 3 до 7 дней и соблюдение определённых условий. Поэтому сейчас перед нами стоят две главные задачи – научиться создавать большие пористые кристаллы и получать их как можно быстрее.

− Что это привнесет в науку и промышленность? Более качественные материалы?

− В том числе. Например, сегодня некоторые высококристаллические соединения используются в лазерных и сенсорных установках. Также они могут использоваться в различных газоразделительных процессах, например, когда необходимо в воздухе отделить азот от кислорода или других газов.

− У вас есть и международный научный опыт, и опыт работы в отечественной структуре. Какой совет вы бы дали молодым студентам, которые только начинают путь в науку? На что стоит обратить внимание и как добиться высоких результатов?

− Я бы сказал, что в первую очередь необходимо учить язык. Сегодня это главное, поскольку качественная научная литература публикуется на английском языке. Как и многие учебники. Это объективный факт: английский – это международный язык, и поэтому все учёные, в первую очередь, стараются публиковать результаты своей работы на английском языке. В Китае, кстати сказать, с этим тоже большая проблема, как и в России. Китайцы очень плохо говорят по-английски. А учить при этом не хотят. У нас то же самое.

Но без знания языка вы не сможете нормально участвовать ни в одной международной конференции, не напишете хорошую статью и не опубликуете её в международном журнале. Поэтому первостепенная задача – выучить английский язык. После этого всё сложится.

− Что для вас химия?

− Я занимаюсь химией с шестого класса. Поэтому для меня химия – это, можно сказать, почти вся моя сознательная жизнь. Химия всегда меня привлекала, поэтому я продолжил изучать её в университете, а дальше − в аспирантуре. Мне нравится проводить новые опыты. Я могу сидеть целыми сутками в поисках новых научных статей, зачитываться ими. И появляется миллиард идей в голове, которые срочно надо переносить на бумагу, иначе потом все забудется и пропадет.

− В чем главная прелесть химии? Почему она вас так привлекла в свое время и до сих пор вдохновляет?

− Благодаря химии можно создавать нечто новое, уникальное, а главное полезное. А результат своей работы можно буквально увидеть, пощупать руками. Химия – это возможность создавать нечто полезное не на словах, а на деле.