Новости

23 Июня, 2020 18:26

Принимайте порошки! Новейшие сорбенты послужат экономике и экологии

Не просто с любопытством, а с уважением начинаешь смотреть на эти прозрачные материалы разной формы и размеров (от наночастиц до кристаллов диаметром в 1 мм), когда узнаешь, что сфера их применения – широчайшая, а возможности едва ли не безграничны. Простой пример использования подобных порошков – противогаз со старым добрым активированным углем. Но теперь химики могут заменить его сорбентами, по сравнению с которыми возможности активированного угля весьма ограничены: из воздуха, которым мы дышим, уголь способен уловить лишь самые распространенные вредные вещества, да и то в больших концентрациях. К тому же кассеты с углем требуют быстрой замены, поскольку срок их службы ограничен.
Источник: pixabay.com

Об уникальных порошках рассказывает один из их разработчиков – заведующий лабораторией Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению Самарского государственного технического университета, кандидат химических наук Евгений Александров:

– Наши сорбенты способны распознать обширный спектр представляющих опасность веществ, включая еще не изученные. Определить и нейтрализовать вредные выбросы – задача, над которой сегодня бьются едва ли не все развитые страны. К самым известным и распространенным, безусловно, принадлежит углекислый газ, выделяемый множеством производств, в частности, ТЭЦ. Мой японский коллега работает в крупной сталелитейной компании. Она заботится об охране окружающей среды и вкладывает немалые средства, стараясь уловить вредные вещества из газообразных отходов производства. Причем обнаруженный углекислый газ можно превратить в полезные углеродосодержащие вещества, скажем, в сажу или мочевину, углеводороды, спирты. Учитывая важность исследований в этой области в нашей стране, Российский научный фонд выделил трехгодичный грант на создание эффективных пористых материалов («Методы топологического дизайна координационных полимеров»).

– Кому вы «прописываете» ваши порошки? Где они будут востребованы?

– Их возможности – широчайшие. Они найдут применение в сенсорах и детекторах – предупредят о присутствии углекислого газа. Мало того что моментально сработает система оповещения, приборы сами же СО2 и поглотят. Ведь наши материалы – часть так называемых сорбционных технологий. Они помогают очищать сырье от вредных примесей, повышать качество бензина (способ молекулярно-ситового эффекта, то есть разделяя молекулы по размерам).

В энергетике их можно использовать для улучшения качества газомоторного топлива. При контроле химического производства – для распределения смесей по компонентам, чтобы затем определить их состав с помощью хроматографов. Еще одно перспективное направление – заправка водородом (или метаном) баллонов автомобилей – это повысит их емкость и тем самым увеличит пробег машин. Благодаря нашим сорбентам плотность газа значительно увеличивается, превосходя предельные нормы в сжиженном состоянии.

Отмечу, что универсальных сорбентов не существует: каждый оригинален и имеет свои особенности. Они выражаются, в частности, в избирательности к определенным веществам. Но чтобы выяснить, какие они сорбируют, а какие – нет, потребуются годы исследований и экспериментов, усилия не одной группы ученых, как наша.

– Как случилось, что Самарский политех стал заниматься одной из важных мировых проблем – разработкой сорбентов?

– Теперь это уже история. В 2013 году наша научная группа выиграла мегагрант Правительства РФ и по его условиям открыла при университете Межвузовский научный центр по теоретическому материаловедению под руководством ведущего в этой области химика Давиде Прозерпио из Миланского университета. А в 2017 году по инициативе нашего ректора создала Международный научно-исследовательский центр по теоретическому материаловедению. Одна из его задач – развитие сотрудничества и трансфер теоретических фундаментальных знаний в разработку отечественных технологий. Грант закончился три года назад, однако совместные исследования с итальянскими учеными продолжаются. К Д.Прозерпио со всего мира поступают предложения по созданию различных кристаллических материалов, и он разрабатывает их вместе с коллегами из разных стран. Наш центр взялся за получение материалов с рекордной сложностью переплетений молекулярных структур. До этого ученым мало что было о них известно. А нам удалось охарактеризовать и объяснить их разносторонние свойства. Разработали и обобщили методы конструирования подобных соединений, убедившись в широчайших возможностях их применения. И открыли лабораторию по синтезу материалов и созданию технологии производства. Помогают нам в этом китайские специалисты.

– Как вы на них вышли?

– Мегагрант потребовал расширения контактов наших ученых с иностранными коллегами. Так в Политехе был создан центр по сотрудничеству с Китаем в самых разных областях. И теперь коллеги делают для нас сорбенты. Их отличает высокая технологичность – они просты в синтезе. У нас прочные, налаженные связи, мы часто посещаем научные центры Китая. Возможно, осенью я начну преподавать химию в одном из тамошних университетов.

– Известно ли о ваших исследованиях за рубежом?

– Думаю, об этом можно судить по такому факту. Не в Москве, не в Санкт-Петербурге, а в Самаре несколько лет назад прошла крупная международная конференция им.  В.А.Фока по квантовой и расчетной химии при участии многих иностранных ученых. С публичной лекцией «Химия: на грани науки и искусства» выступил нобелевский лауреат по химии Роалд Хоффман. Вместе с ним по итогам конференции сотрудники нашего центра опубликовали статью в известном научном журнале.

– Сложно ли будет получать ваши материалы и сколько они могут стоить?

– Синтезировать их совсем не трудно. Исходное сырье – это молекулярные соединения трикарбоновых кислот. Другое дело, что для их синтеза необходимо отобрать наиболее подходящие структуры. Для этого нужно время, а следовательно, и финансирование. Мы пишем заявки на гранты и получаем их. Так, по трехгодичному гранту РНФ за два года его действия синтезировали более 50 материалов. Фактически мы буквально «перетряхиваем» их состав, стремясь придать новинкам различные, порой неожиданные свойства. Отчасти это похоже на закалку стали, когда она обретает новые важные качества. Рассчитываем, что среди полученных центром сорбентов будут и такие, что превзойдут уже существующие.

Следующая задача – разработка технологии получения самых разных материалов для микроэлектроники, аналитических приборов, катализаторов, топливных элементов. И снова поиск: на этот раз – теоретических подходов к их конструированию. В будущем обязательно опубликуем статьи о наших наработках. Что же касается стоимости новинок, то пока не отработаны все технологические вопросы, говорить об этом рано. Могу предположить, что они не будут особенно дороги, поскольку исходное сырье дешевое. Замечу, что раньше мы вообще не думали о практическом применении материалов. Главное – фундаментальные исследования, а воспользуются ли нашими наработками и когда это может случиться, – вопрос будущего.

– Но сегодня, похоже, у вас есть уверенность, что материалы центра заинтересуют специалистов самых разных областей?

– Безусловно. Теоретическая их основа уже есть, на очереди практическое применение. Свойства этих перспективных основополагающих материалов на сегодняшний день до конца не известны. Их возможности обнаружат, может быть, завтра, но не исключено, что и через несколько лет. Самое главное, что наши сорбенты очищают воздух от загрязнений. Проблема наиважнейшая едва ли не для большинства отраслей промышленности и техники. Предприятия совершенствуются, осваивают новые материалы, передовые технологии, и сразу встает вопрос их безопасности для людей. Не попадают ли в воздух, которым дышат рабочие, ядовитые и канцерогенные вещества?
Сфера применения сорбентов, которые мы изучаем, очень широкая, ведь они совмещают в себе множество различных функций – электропроводность, магнитные и оптические свойства, пористость – откликаются на внешние воздействия (меняют размеры кристаллов в зависимости от химического состава окружающей среды). Единственные области, где они точно не найдут применение, – это изготовления бетонных и металлических конструкций.  Туда их вносить не стоит, хотя не исключено, что они будут использованы для защиты от коррозии. Другое дело – в химии: в катализе эти материалы применяют для ускорения практически любых химических процессов. В медицине – для адресной доставки препаратов в пораженные органы. Наши пористые материалы в виде наночастиц послужат «почтальонами» и доставят лекарства строго по назначению.
Иногда мне кажется, что проекты нашего центра сродни фантастическим. А ведь мы только в начале поисков.

13 Июля, 2020
Ученые Университета ИТМО разработали способ создания элементов плазмоники
Благодаря сложной математической модели, которая корректируется в реальном времени, ученые могут упр...
13 Июля, 2020
Предложен способ получения нанопористого кремния, не требующий использования плавиковой кислоты
Пористый кремний – это чрезвычайно интересный и перспективный материал. Его способность флуорес...