Уходящий год принес много интересных событий в области химии в России и в мире: решение о запуске национального проекта «Новые материалы и химия», создание первого в мире работающего полупроводника из графена, обнаружение природного молекулярного фрактала и получение ультрахолодных супермолекул, Менделеевский съезд, Нобелевская премия и многое другое. Чтобы подвести химические итоги года, мы встретились с учеными химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова: заведующим кафедрой неорганической химии Андреем Владимировичем Шевельковым и заместителем декана Марией Эмильевной Зверевой.
Молекулярное самоподобие в природе
Один из самых сложных геометрических объектов, обладающий свойством самоподобия, ― фрактал ― впервые обнаружен в живой природе в виде молекулы. Как и положено фракталу, из такой «фигуры» можно выделить отдельные части, которые подобны целому. Речь о цианобактериальном ферменте под названием «цитратсинтаза». Этот белок способен спонтанно собираться в треугольный узор, состоящий из меньших треугольников. Такая структура известна как треугольник Серпинского.
В природе распространены макроскопические фракталы (например, снежинки, папоротники, раковины аммонитов и др.), но на молекулярном уровне фрактальная сборка ранее наблюдалась только у синтетических систем.
Узор, в который собираются молекулы цианобактерии Synechococcus elongatus. Фото: MPI f. Terrestrial Microbiology / Hochberg
Статья об открытии природного регулярного фрактала у цианобактерии Synechococcus elongatus была опубликована в журнале Nature. Авторы исследования провели реконструкцию предковой последовательности цианобактерии, чтобы проследить, как фрактал цитратсинтазы эволюционировал из нефрактальных предшественников, и обнаружили, что он мог возникнуть как безвредная эволюционная случайность.
«Это очень красивое открытие, хотя пока я не вижу какого-то практического применения полученной информации. Вполне возможно, что в природе есть и другие фрактальные белки, просто мы пока о них не знаем. Это новая интересная область, которая, конечно, требует дальнейших исследований», ― прокомментировала доктор химических наук Мария Эмильевна Зверева.
Шаг к новой микроэлектронике
Графен ― тончайший и при этом чрезвычайно прочный и упругий материал. А еще он очень дешевый и способен выдерживать большие электрические токи. Говорят, однажды графен сможет заменить кремний, ведь кремниевая элементная база, на которой создается современная электроника, уже подходит к своему технологическому и физическому пределу.
В январе этого года ученые из Технологического института Джорджии создали первый в мире функциональный полупроводник из эпитаксиального графена, чья подвижность электронов в десять раз превосходит показатели кремния и в 20 раз ― других двумерных полупроводников.
Графен ― монослой атомов углерода, обладающий самыми прочными из известных химических связей. Фото: forance / 123RF
Авторы работы исследовали графен на протяжении около 20 лет, и в этом году им наконец удалось решить так называемую проблему запрещенной зоны, которая свойственна полупроводникам и отсутствует у графена.
«Графен ― очень интересная субстанция. С ней просто работать, она дешевая и обладает уникальными свойствами. Однако использовать эти свойства в микроэлектронике ранее было нельзя, потому что, говоря языком физики, графен ― это идеально вырожденный полупроводник, а нужно было сделать его настоящим полупроводником, без всякого вырождения. И авторам открытия это удалось. Вполне возможно, что это станет некоторой базой для электроники в будущем», ― пояснил член-корреспондент РАН Андрей Владимирович Шевельков.
Ожидания-2025: Национальный проект «Новые материалы и химия»
Этим летом стало известно, что в России появится национальный проект «Новые материалы и химия», включающий несколько федеральных проектов, связанных с развитием производства химической продукции и композиционных материалов, поиском редких и редкоземельных металлов и другого сырья для экономики и не только. Старт намечен на 2025 г.
До 2030 г. в России планируется открыть более 150 производств и сформировать экосистемы развития на базе федеральных центров компетенций, запустить инвестиционные проекты производств полного цикла ― от сырья до высокотехнологичных товаров, создать большое количество новых продуктов.
«Согласна с тем, что нужно развивать нашу химическую промышленность, потому что раньше у нас был “магазин”, в котором мы могли купить абсолютно все, а сейчас часть товаров стала недоступной, поэтому важно самим производить их. Конечно, мы не сможем создавать весь спектр необходимого, но нужно выделить критические точки и развивать свое производство», ― прокомментировала М.Э. Зверева.
На химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
«Если говорить о связи химической промышленности с будущим национальным проектом, то в нем не зря заложены федеральные программы, ориентированные на непрерывный цикл. Речь идет о том, что мы извлекаем полезные ископаемые из Земли и в конце концов доводим их до какого-то высокотехнологичного продукта. Развивать химическую промышленность, на мой взгляд, следует с геохимии, с добычи полезных ископаемых, с разработки новых месторождений. Стоит подумать о том, где есть необходимые мощности для переработки сырья и получения нужных нам химикатов», ― добавил А.В. Шевельков.
По словам ученых, Россия долгие годы экспортировала преимущественно нефть, а не продукты ее глубокой переработки (например, полимеры, смазочные масла, лекарства и др.) ― их в основном закупали за рубежом, и сегодня технологическая цепочка от разработки до конечного продукта нарушена. Восстановить ее ― одна из важнейших задач на ближайшее будущее.
Мы также обсудили с М.Э. Зверевой и А.В. Шевельковым итоги Менделеевского съезда ― одного из ключевых событий Десятилетия науки и технологий в РФ, исследования, отмеченные Нобелевскими премиями по химии, по физиологии и медицине, и другие яркие события уходящего года. Подробнее ― в нашем видео!
Фото на главной странице: shaiith / 123RF
