Новости

24 Апреля, 2019 11:16

Из сборника РНФ «Я ученый!»: Династия химиков из Нижнего Новгорода создала высокотехнологичную лабораторию и внедряет результаты фундаментальных исследований в практику

В 2014 году, когда попечители и сотрудники Российского научного фонда приехали в Нижний Новгород рассказать о грантовых программах и возможностях тогда еще только начавшего работу Фонда, много говорилось о том, что ученым необходимо идти в ногу с мировой наукой, а не заниматься местечковыми исследованиями. У семьи химиков Воротынцевых – отца Владимира и сыновей Ильи и Андрея – из Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) не было соответствующего научного задела для подготовки проекта. Но ученые горели желанием реализовать свою новую, тогда еще формирующуюся идею, и положить начало свежему направлению – созданию совершенных полимерных мембран с участием ионных жидкостей для очистки разных веществ, – поэтому решились и подали заявку на грант. Проект получил поддержку и уже спустя несколько лет позволил им создать в городе высокотехнологичную лабораторию, вырастить десятки влюбленных в свою работу молодых сотрудников, востребованных в ведущих компаниях страны, и начать совместные разработки с бизнесом.
Источник: пресс-служба РНФ

– Это был смелый поступок, потому что обязательства по количеству статей были довольно серьезные: в то время одна статья, вышедшая в журнале первого квартиля (пул наиболее авторитетных иностранных журналов – прим. ред.), не считалась за две (с 2017 года Фондом были введены правила, в соответствии с которыми во многих конкурсах 1 статья в журнале первого квартиля приравнивалась к двум статьям в журналах с более низкой цитируемостью – прим. ред.). Мы с отцом взяли одни из первых грантов в нашем университете. Причем нам хотелось не просто потратить деньги на зарплаты и новое оборудование, а сделать что-то по-настоящему красивое и уникальное.

У семьи Воротынцевых уже был опыт создания принципиально новых вещей. Заниматься мембранами в Нижнем Новгороде начали еще в 80-х под руководством Владимира Воротынцева. Владимир, входивший на тот момент в Академию наук, собрал увлеченную темой команду, подключил к работе молодых ученых со своей кафедры физики и технологии материалов и компонентов электронной техники в НГТУ и создал производственное объединение по разработке и выпуску в Дзержинске высокочистых газов для изготовления компонентов электронных устройств. Это первое производство такого типа, как в СССР, так и в России. Когда Илья и Андрей поступили в университет, все свободное время они проводили на заводе отца, занимаясь настройкой и созданием оборудования, а позже – и продвижением продукции (R&D) в другие страны.

Имея такой богатый бэкграунд развития новых проектов, в 2015 году, когда удалось выиграть гранты РНФ, ученые на средства других проектов переформатировали пространства кафедры для будущей Лаборатории мембранных и каталитических процессов и приступили к исследованиям.

– Я не думаю, что в стране много команд, которые обладают такими компетенциями и подходами к работе, как у нас, – считает Илья. – Сейчас у нас в лаборатории два подразделения: одно занимается созданием новых полимеров и катализаторов и их модификацией. А во второй лаборатории мы тестируем наши новые материалы уже в реальных процессах, моделируем их и при помощи математических методов. Здесь же мы создаем свое оборудование и совершенствуем купленное. Таким образом, мы реализуем комплексный подход: от материала к технологии.


Фото: Илья Воротынцев – доктор технических наук, профессор НГТУ им. Р.Е. Алексеева, трижды обладатель грантов Президента для молодых докторов наук, лауреат множества премий и первый президент Международного молодежного союза химиков. Гранты РНФ: «Разработка гибридных схем выделения сероводорода и углекислого газа из газовых смесей» (2015–2017 гг.) и «Разработка новых мембранных материалов на базе ионных жидкостей для выделения кислых газов» (2018–2020 гг.). Источник: пресс-служба РНФ

О науке

Полимерная мембрана – это тонкая пластинка, основа современных разделительных технологий, которые приходят на смену традиционным дистилляционным и сорбционным процессам. Мембрана настолько тонкая, что колышется от дуновения ветра. Но когда она находится внутри мембранного аппарата, то позволяет газам проходить через нее: какие-то газы проходят быстрее, какие-то – медленнее, так и происходит разделение. Таким образом, очищаются многие вещества на производстве, например, так получают особо чистую воду для производства соков, минеральной воды и пива.

Полимерная мембрана – это полимер, то есть пластик. Вещи из пластика сравнительно дешевы, поэтому мы берем в супермаркете «кучу» пакетов и выбрасываем их, придя домой. Мембраны, в отличие от сорбентов, например, работают достаточно долго, почти вечно, потому что в них ничего не задерживается. Такие мембраны нужны для разделения нефти на компоненты – бензин, керосин и другие, для разделения морской воды на питьевую и соли и многих других процессов. Обычно для этого что-то кипятят, испаряют или плавят, то есть совершают фазовый переход от жидкой фазы к газообразной от кристаллической к жидкой, а для этого нужно иметь большое количество энергии. В случае с мембранами есть только одна фаза – газовая или жидкая, и сама мембрана, которая похожа на листок бумаги, хотя она устроена гораздо сложнее, чем выглядит, и состоит из разных полимерных материалов. С участием мембраны разделения фаз не происходит, то есть энергии тратится меньше, а значит, компания, если мы говорим про конечного пользователя, экономит.

– Мне – может быть, из-за того, что я оканчивал кафедру физической химии – было интересно посмотреть, что происходит с мембраной как с полимером в момент разделения газов. Так я стал развивать материаловедческое направление – создание новых полимерных мембран и изучение механизмов проникновения газов через них, – говорит Илья. – А лет десять назад я съездил на крупнейшую химическую конференцию мира и узнал, что есть такие мембраны, в которые встроены ионные жидкости, и которые, собственно, обеспечивают облегченный транспорт веществ. С того момента мне эта тема показалась интересной, и я так потихонечку в свободное время стал наблюдать, что происходит, когда газ берут, как человека за руку, и проводят через мембрану. Из этой идеи и родился мой первый грант РНФ.

Этот проект стал разгонной площадкой для нижегородских исследователей: они стремились понять, как далеко они смогут уйти в своих исследованиях и какие направления вырастут из стартового. И их выросло сразу несколько, под каждое направление теперь выделены свои человеческие и финансовые ресурсы.

– Успешные результаты первого проекта позволили мне выиграть в этом году второй грант, – отмечает Илья. – Также по первому гранту мы создавали полимерные мембраны с инкорпорированными ионными жидкостями внутри пористой полимерной мембраны. Этот подход теперь развивается в работах моего брата, который выиграл грант РНФ в рамках Президентской программы, но не в мембранах, а в катализаторах. Кроме того, нам удалось получить мембраны с внутренней разветвленной архитектурой, показавшие интересные газоразделительные свойства. Это была совместная работа с коллегами из Казани – двумя молодыми кандидатами наук, которых необходимо было привлечь к проекту по условиям конкурса. Одна из них Алсу Ахметшина – кстати, первая победительница в России престижного гранта ЮНЕСКО, «ФосАгро» и IUPAC по зеленой химии – осталась работать в нашей лаборатории после завершения проекта. И наконец, мы создали сополимеры (в отличие от полимеров состоят из звеньев-мономеров разных типов – прим. ред.) с разлагаемым хитозаном (широко используемым веществом из панцирей ракообразных – прим. ред.) – очень интересная тема с экологической направленностью.

О производстве

При работе с полимерами любой ученый сталкивается с проблемой их утилизации, ведь они разлагаются сотни лет. Вместе с одним из аспирантов – Ксенией Отвагиной – Илья сделал смесь хитозана с полимерными мембранами и ионными жидкостями. В начале работы над этим ответвлением проекта исследователи думали, что они будут разделять метан, углекислый газ и сероводород, и это поможет очищать природный газ на каком-нибудь производстве. 

Но проект пошел дальше: сейчас Илья ведет переговоры по созданию большой мембранной установки для выделения углекислого газа из смесей. 

Подобные принципы работы мембраны уже применяет несколько небольших заводов, но они, по словам ученых, используют вредные химические методы и применяют газ для насыщения им газированных напитков.

– Глобально мы всегда смотрели чуть дальше, чем просто написание статей, и пытались найти индустриального партнера, которому наша работа будет интересна. Я думаю, что проблема бесперспективности разработок ученых, как в нашей стране, так и за рубежом, заключается в том, что у них довольно слабые связи с бизнесом, – убежден Илья. – Наша политика – постоянное взаимодействие с бизнесом. Когда мы встречаемся с технологами, получаются очень продуктивные беседы: мы рассказываем, что мы можем, они говорят, что им нужно, и мы находим много точек соприкосновения, а совместные идеи потом предлагаем руководству компании. Раньше я думал, что трудность в работе с индустрией – это только российская проблема, но сейчас мы много общаемся с иностранцами, и я понимаю, что это общая беда. На научных конференциях как-то выступали представители транснациональной химической компании Linde и химический концерн Evonik. Linde известна, как газовая компания, занимается производственными процессами, а одно из подразделений Evonik, делает мембраны. Они получили мощный синергетический эффект, объединив свои продукты в совместной технологии. И таких примером много, один мой знакомый профессор из Англии – Андрей Ливингстон – много лет создавал мембраны и компанию по их производству, когда в итоге у него все получилось, его компанию купил индустриальный партнер, и все остались довольны.


Источник: пресс-служба РНФ

Такое оборудование, которое стоит в лабораториях Воротынцевых, трудно где-то найти. Ведь они создали его сами. Когда стало понятно, что все большую часть гранта нельзя тратить только на оборудование, иначе, попросту не хватит ни на что остальное, ученые стали закупать детали для оборудования отдельно и собирать их. Часть базового оборудования удалось получить еще в 2011 году на деньги вуза. Сегодня оно выглядит уже иначе, потому что тоже модифицировано учеными под свои исследовательские задачи.

По словам исследователей, сейчас только порядка 10% гранта уходит на закупку оборудования, а почти каждый сотрудник лаборатории Воротынцевых умеет «варить», разбираться в электрике и паять трубы.

– При совершенствовании оборудования мы стараемся инвестировать в промышленный дизайн. Мы считаем, что не только функциональные, но и эстетически красивые объекты производят хорошее впечатление на индустриального партнера. Да нам самим приятнее работать с такими приборами, – уточняет Илья.

Так произошло и с мусороперерабатывающим заводом, прототип которого уже стоит в отдельной комнате. Это его тестовая версия, но вскоре совместно с индустриальным партнером Воротынцевы планируют создать производственную версию установки. Первоначально мусор сжигается традиционным путем при разных температурах, а далее доокисляется с катализатором (ускорителем реакции) для утилизации вредных канцерогенных веществ, и на выходе получается топливо. Такая интересная технология получилась случайно: исследователи просто решили нетрадиционно взглянуть на традиционный процесс.


Источник: пресс-служба РНФ

О технологиях

Владимир Воротынцев называет младшего сына «наш Кулибин». Андрею было двадцать, когда он занялся поиском экономичного и эффективного способа переработки тетрахлорида кремния, остающегося в процессе производства поликристаллического кремния. Поликремний нужен почти везде, ведь он становится основой ключевых компонентов электроники, в том числе гаджетов и солнечных батарей. Еще во время обучения в НГТУ Андрей по программе «УМНИК» Фонда Бортника создал собственное предприятие по разработке и совершенствованию катализаторов для решения проблемы. В 2017 году Андрей выиграл грант Президентской программы исследовательских проектов РНФ и со своей командой продолжает работу в этом направлении. Ему удалось создать процесс производства поликремния со стопроцентной переработкой отходов.

Чтобы добиться такого результата Андрей, во-первых, разработал полимерный ускоритель реакции.

– Это микрошарики с разветвленной структурой внутри, – поясняет Андрей. – Мы влияем на размер, структуру и внутренние характеристики шариков: можем увеличивать или уменьшать поры, чтобы туда какие-то вещества проникали лучше, какие-то – хуже. К ним мы «пришиваем» различные активные центры, в качестве которых выступают ионные жидкости, и реакция у нас запускается иначе – лучше.

Во-вторых, Андрей со всей командой, как принято в этой лаборатории, переоборудовал купленные приборы под свои задачи, создав комплекс из масс-спектрометра и двух реакторов для переработки тетрахлорида кремния, которые работают параллельно, что, по словам Андрея, дает принципиально другой результат для наблюдения за процессом.

Если в лаборатории Воротынцевых Илья отвечает за продвижение продуктов и общение с инвесторами, Андрей – за совершенствование приборного парка.

– Мы сами делаем установки, занимаемся инжинирингом и программированием промышленных компьютеров – в общем, абсолютно всем, что не связано с химией, – рассказывает Андрей.


Фото: Андрей Воротынцев – кандидат химических наук, дважды лауреат стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам. Грант Президентской программы исследовательских проектов РНФ: «Разработка высокоселективных каталитических систем для процессов низкотемпературного диспропорционирования, гидрирования и восстановления хлорсиланов: cинтез, свойства, механизм и применение» (2017–2019 гг.). Источник: пресс-служба РНФ

На одном из столов стоит прибор, сделанный в Японии. Воротынцевы полностью разобрали и вновь собрали его, оснастив новыми элементами. Когда японцы приехали посмотреть на лабораторию коллег, они не узнали свой прибор – настолько он преобразился.

– Работа сервис-инженера стоит примерно 32 тысячи рублей в день. Но, имея друзей в разных областях, можно найти сервис-инженера, который поделится мануалом, и ты сам научишься разбирать и собирать хромато-масс-спектрометр по гаечкам, – говорит Андрей. – Недавно заключили соглашение о сотрудничестве с Екатеринбургским университетом, теперь будем отправлять туда образцы, потому что они делают микроскопию на прекрасном уровне. У нас разрешение – до пяти микрон, у них – до двухсот нанометров, что критично в нашем случае.

– То есть мы за коллаборацию как внутри страны, так и снаружи. Это здорово помогает в работе, – подытоживает Илья.


Источник: пресс-служба РНФ

Об образовании

В лаборатории 20 человек, из них 8 аспирантов, 5 магистрантов и молодые кандидаты наук. Все они периодически отправляются в дружественные организации по всему миру за новыми навыками. Поездки заграницу на стажировки и конференции – одна из важнейших составляющих образовательного процесса в лаборатории Воротынцевых.

– Мы их специально отправляем на курсы английского языка, чтобы они дополнительно готовились к докладам на зарубежных конференциях. Все ребята в обязательном порядке участвуют в «УМНИКЕ», такой старт карьеры. Почти все получили гранты Нижегородской области в сфере науки и техники и часть – стипендии Президента. Это не похвала, это некая данность, – подчеркивает Илья.

Владимир Воротынцев создал в техническом университете научную школу на кафедре Нанотехнологии и биотехнологии. Его сыновья подпитали кафедру молодыми сотрудниками. Некоторые из них защитили кандидатские диссертации несколько лет назад, но не ушли, потому что здесь им обеспечивают хороший уровень заработной платы и позволяют заниматься не только наукой, но и производственными процессами, что помогает разнообразить рабочий день.

Максим Трубянов несколько лет работал сервис-инженером в компании, которая торговала научными приборами, хотя Максим – выпускник кафедры Воротынцевых. Ученые предложили ему перейти к ним в лабораторию и заняться одним проектом, сохраняя примерно тот же уровень зарплаты. Сейчас Максим ведет сразу несколько проектов, которые поддержаны выигранными им грантами и стипендиями.

– У меня есть магистрант первого года, он был целевым студентом от Пензенского радиозавода. Сейчас он уже думает расторгнуть договор с заводом, выплатить им 100 тысяч рублей компенсации за оплаченное компанией обучение и приехать работать к нам, несмотря на то, что директор завода очень ждет его и предлагает хорошую зарплату и жилье, – улыбается Илья.

На счету Ксении Отвагиной, аспирантки третьего года обучения, как и остальных сотрудников лаборатории, несколько статей в хороших журналах. Но наукой она не ограничивается. Ксения входит в бюро Европейского союза молодых химиков и организует образовательные курсы в университете, в том числе международного уровня. Способствует объединению и развитию сообщества химиков и сам Илья. Год назад он стал первым президентом Международного молодежного союза химиков.


Источник: пресс-служба РНФ

О грантах

– Мне нравятся правила работы с грантами Российского научного фонда. РНФ здорово подстегивает не только наращивать количество статей, но делать их качественными, – говорит Илья.

Одно время в лаборатории Воротынцевых было пять грантов РНФ, причем проекты были абсолютно не связаны друг с другом. Сейчас их четыре. Но есть еще и гранты других фондов, стипендии Президента РФ. А в этом году появился первый договор с индустриальным партнером. Бюджет лаборатории составляет порядка 30–40 миллионов в год.

– Когда я говорю, что у нас в лаборатории несколько грантов РНФ, меня спрашивают: «Как такое может быть?». Так говорят не только коллеги-ученые, но и представители индустрии.

Фото: Воротынцевы называют свою лабораторию самой красивой лабораторией города. Они вкладывают ресурсы в ее дизайн, промышленный дизайн приборного парка и продвижение в социальных сетях. Сотрудники проводят экскурсии и читают открытые научно-популярные лекции для школьников и студентов. А в этом году провели Первую международную химико-технологическую летнюю школу по мембранным технологиям для молодых «мембранщиков» из Нижнего Новгорода, Москвы и Санкт-Петербурга. Главным спикером выступил профессор Нового лиссабонского университета профессор Жоа Креспо – один из ведущих ученых в мире в области мембран и мембранных технологий. Источник: пресс-служба РНФ

О семье

– Как вы знаете, у нас в Академии наук так: если ты занимаешься фундаментальными исследованиями, хорошо, а если ты вовлечен в прикладные исследования, ты белая ворона. С моей точки зрения, это неправильно, – говорит Владимир Воротынцев. – Если посмотреть историю развития научных разработок, у нас академики участвовали в изготовлении мин во время Великой Отечественной войны, в атомных проектах и многих других. Поэтому я считаю, что если академики, которые действительно разбираются в теме, повернутся лицом к промышленности, то они сделают очень многое для развития отраслей.

Воротынцеву-старшему было в свое время трудно не только внедрять свои разработки на рынок, но и бороться с предвзятостью по отношению к его семье.

– Предыдущий ректор нашего технического университета однажды вызывает меня и говорит: «Почему у тебя на кафедре работают твои дети?» Я ответил, что, если ты приводишь плохих родственников, – это семейственность, а если хороших, – это династия, – вспоминает Владимир.


Фото: Владимир Воротынцев – доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой нанотехнологии и биотехнологии НГТУ им. Р.Е. Алексеева, почетный работник высшего образования. Грант РНФ: «Плазменная аддитивная технология получения высокочистых халькогенидных стекол и создание на их основе 3-D элементов микрофотоники и оптоэлектроники ИК диапазона с использованием фемтосекундного лазерного излучения» (2015–2017 гг.). Источник: пресс-служба РНФ

Причем династия, по словам главы семьи, формировалась естественно: пока Илья и Андрей росли, они бывали в Академии наук, ходили в лабораторию отца и слушали беседы с его коллегами.

– Я думаю, что наше преимуществом в том, что мы можем выполнять большой объем исследований, потому что нам не приходится налаживать контакты друг с другом, они уже налажены, – убежден Владимир.

В будущем Воротынцевы планируют сотрудничать друг с другом более тесно, объединить свои силы для работы над одним исследованием и сделать переход к тому, о чем давно мечтали, – мембранный катализ.

– Это будет какая-то мембрана, полимерная или неорганическая, на нее мы будем наносить некие частицы, функционализировать мембрану какими-то органическими веществами и чем-то еще и, таким образом, совмещать два процесса: катализ, который происходит на поверхности вещества, и мембранное газоразделение, когда продукты реакции и исходные вещества будут разделяться.

История взята из книги РНФ «Я ученый!»: http://www.rscf.ru/ru/node/rnf-prezentoval-sbornik-istoriy-o-rossiyskikh-uchenykh 
Теги
Интервью
6 Июля, 2020
Александр Клименко о поддержке Фондом молодых ученых
«Лестница» грантов РНФ помогает молодым ученым профессионально расти и развиваться: вначал...
13 Марта, 2020
Дискуссия профессионалов. Следует ли привлекать иностранцев к экспертизе российских проектов?
Современная наука не знает границ. Исследования российских ученых все более интегрированы в мировую ...