Главные события 2020 года в химии

Когда в 1970-х годах стали выходить первые работы о литиевых аккумуляторах, наверное, даже их авторы плохо представляли, чем это закончится. Холодная война, мирный атом, гонка вооружений — было не до этого. Мы навсегда запомним 2020 год из-за пандемии коронавируса, и иногда кажется, что все ученые мира разных областей и специализаций бросились на войну с вирусом, но, конечно, это не так. Открытие сверхпроводимости при комнатной температуре, новые препараты для терапии рака, машинное обучение в материаловедении и многое другое — мы поговорили с ведущими российскими химиками о том, какие открытия и разработки в их области запомнились в 2020 году, чтобы знать, что изменит нашу повседневную жизнь уже через несколько лет.

Дмитрий Иванов, профессор факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией инженерного материаловедения: биомиметические полимерные материалыа

— В 2020 году интересы человечества очевидно сместились в сторону биологии, иммунологии, вирусологии, но если вдуматься в природу того, с чем мы сталкиваемся, то это очень сильно связано с вопросами молекулярной самосборки. Ведь вирусы по большом счету — это самособирающаяся структура из белковых частиц, ДНК и РНК, которая должна доставить генетическую информацию в клетку, а там саморазобраться. Удивительный по точности настройки инструмент. Сейчас многие экспериментаторы занимаются похожими материалами, которые пока, конечно, не так совершенны, как вирусы, но тоже могут под влиянием внешних факторов (температуры, рН или других) самоорганизовываться в сложные трехмерные структуры. Такие материалы часто представляют интерес для биомедицины и в основном относятся к мягким средам (soft matter — англ.). Они составлены из кирпичиков органической природы, состоящих из сотен и даже тысяч атомов, например, полимерных макромолекул, которые сложным образом организуются в пространстве, образуя порой иерархические структуры с несколькими уровнями организации.

Так, мы можем делать структуры с заданными свойствами. В этом году мы в составе международной команды исследователей из США и наших соотечественников разработали материалы с механическими свойствами, неотличимыми от мягких живых тканей. Они полностью воспроизвели механические кривые для кожи, соединительной ткани, ткани кровеносных сосудов, ткани легких. У всех них очень сложная механика, которую невозможно повторить с помощью линейных синтетических полимеров, и это проблема, потому что материал импланта должен иметь такие же механические свойства, как и окружающая ткань. Иначе на границе раздела будут накапливаться механические напряжения, и вы будете травмировать ткани, что может привести к воспалениям, некрозам и другим тяжелым последствиям.

В рамках нашего международного консорциума был синтезирован иерархически структурированный полимерный материал, который самоорганизовывался в сложную сетчатую структуру, способную воспроизводить всю механическую кривую различных живых тканей от малых деформаций до предела разрушения. К примеру, этот материал может упрочняться при деформациях, то есть становиться жестче, когда мы его растягиваем, точно так же, как наша кожа, которая за счет такой особенности защищает внутренние органы от внешних механических воздействий.

В другой работе мы расширили спектр наших самоорганизующихся материалов, включив в него материалы, имеющие чувствительность к температуре. При хирургических операциях очень часто нужно иметь материал в твердом виде для удобства введения в тело — например, микроиголки, которые прокалывают кожные покровы, а затем при контакте с телом нагреваются, претерпевают фазовые превращения и размягчаются, заполняя нужный объем. Мы же подобрали материал, чтобы его фазовый переход происходил при температуре человеческого тела: если температура ниже 36–37 градусов, то это твердый материал с модулями упругости порядка гигапаскалей, а если выше, то он становится мягким материалом с модулями уже порядка сотен или максимум нескольких тысяч паскалей.

Артем Оганов, профессор Сколтеха, профессор РАН, член Европеискои академии, деиствительныи член (Fellow) Королевского химического общества и Американского физического общества: сверхпроводимость при комнатной температуре и машинное обучение в материаловедении

— В моей области 2020 год запомнится прежде всего работой Снайдера и Диаса, в которой впервые была экспериментально достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре (хотя и при давлениях свыше 2,5 млн атмосфер).

Ряд интересных работ был сделан в области машинного обучения и его применений в химии и материаловедении. Особенно интересными мне кажутся генеративные нейронные сети, способные «придумывать» новые молекулы и кристаллические структуры с интересными свойствами.

Моей лаборатории в этом году удалось опубликовать важный цикл работ и по высокотемпературной сверхпроводимости, и по новым вычислительным методам. Например, нами создан алгоритм, способный предсказать вещества с нужными свойствами и среди соединений всех элементов. Для решения такой задачи требуются особые алгоритмы — простым перебором решить эту задачу невозможно. Этим методом был предсказан ряд ультратвердых материалов и было показано, что теоретически самым твердым веществом является алмаз (и его гексагональный политип лонсдейлит).

Дмитрий Перекалин, заведующий лабораторией функционализированных элементоорганических соединений ИНЭОС РАН им. А. Н. Несмеянова: новый способ определения стереоизомеров

— В этом году мне запомнилась работа, в которой предлагают определять тип энантиомера молекулы по сокристаллам.

Среди органических молекул довольно часто встречаются такие, которые несовместимы со своим зеркальным отражением, то есть они могут быть «правыми» и «левыми», так же как правая и левая рука. Это важное свойство, особенно для лекарственных соединений, поскольку «правая» молекула может быть лекарством, «левая» — оказаться ядом. Один из способов установить, какие именно молекулы в веществе, «правые» или «левые»,— провести анализ кристалла с помощью рентгеновского излучения. К сожалению, далеко не все молекулы образуют хорошие кристаллы, многие дают при высушивании невзрачные порошки, масла, а некоторые вообще являются жидкостями при комнатной температуре.

Авторы этой статьи предлагают решение — кристаллизовать интересующую нас молекулу совместно с добавкой особого вещества. Это вещество не только образует хорошие кристаллы, но и имеет в кристаллах пустоты, куда может попасть интересующая нас молекула. В результате получается сокристалл, который можно анализировать с помощью обычного рентгеновского излучения.

Илья Воротынцев, профессор, заведующий лабораторией «SMART полимерных материалов и технологий» (SMART PolyMaT) РХТУ им. Д. И. Менделеева, заведующий кафедрой «Нанотехнологии и биотехнологии» НГТУ им. Р. Е. Алексеева: новый формат научных конференций

— 2020 год для меня начался с важной международной конференции (International Membrane Science & Technology Conference), которая проходила в начале февраля в Сиднейском технологическом университете (Австралия). Это традиционная конференция по мембранам Тихоокеанского региона, проводящаяся раз в три года, на которую также приезжают ведущие ученые и аспиранты из Европы. На конференции было довольно много участников, хотя и не приехали все китайцы, так как Австралия в первый день работы конференции закрыла границы с Китаем. Еще не ощущалось масштаба мировых изменений. По улицам Сиднея в масках ходили только китайцы, которые и так в них ходили. Но на конференции предлагалось приклеить себе на одежду оранжевый бейдж, означающий, что вы не жмете руки. И мир изменился практически в одночасье.

Крупнейший мировой конгресс по мембранам (ICOM 2020) должен был пройти летом этого года в Лондоне, но его сначала перенесли на декабрь, а потом перевели в онлайн. Конечно, для мероприятия с более чем 500 участников не обошлось без технических накладок. И были приятные встречи со знакомыми учеными в виртуальных комнатах, где представлялись стендовые доклады.

Пожалуй, для меня этот тяжелый 2020 год запомнится новыми возможностями, связанными с симбиозом науки, бизнеса и общества, который стал как никогда сильным. Серьезные вызовы предполагают масштабные решения, и это «затишье» дало возможность сосредоточиться именно на науке и работе в лабораториях, которыми мой научный коллектив смог воспользоваться, например, наняв новых постдоков и открыв новую лабораторию «SMART полимерных материалов и технологий» в РХТУ им. Д. И. Менделеева, в которой мы будем заниматься новым направлением по созданию мембранно-каталитических систем для альтернативной водородной энергетики.

Александр Кабанов, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией «Химический дизайн бионаноматериалов», директор Центра нанотехнологий для доставки лекарств Школы фармацевтики имени Эшельмана Университета Северной Каролины (США), член-корреспондент РАН: разработка противораковых препаратов

— Я хотел бы кратко рассказать о двух наших работах, опубликованных в уходящем году, которые, как мне кажется, находятся в русле новых направлений в создании терапевтических противораковых препаратов.

Как известно, в 2018 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Джеймс Эллисон и Тасуку Хондзё за создание терапии рака путем ингибирования блокаторов иммунной системы, мешающих T-клеткам-убийцам атаковать раковые клетки. Однако этот подход работает далеко не всегда, так как клетки опухолевого микроокружения — макрофаги, фибробласты, миелоидные супрессорные клетки и другие — с помощью противовоспалительных сигнальных молекул — цитокинов — подавляют противоопухолевый T-клеточный иммунный ответ, тем самым обеспечивая дополнительную защиту раковым клеткам. В работе, опубликованной в журнале Science Advances, мы использовали животную модель мелкоклеточного рака легкого, против которого бессильны самые лучшие химиотерапевтические агенты, убивающие эти раковые клетки в культуре, и показали, что резиквимод — маленькая молекула-агонист толл-подобных рецепторов 7 и 8, которая меняет поляризацию опухолевых макрофагов с противовоспалительной на провоспалительную, обладает сильнейшим противоопухолевым действием, многократно превышающим активность антитела против блокатора иммунного ответа. Таким образом, открывается возможность лечить рак с помощью маленьких молекул, меняющих природу ракового микроокружения.

Другая работа была посвящена взаимодействиям между микробиомом и раковыми клетками. Микробы, присутствующие в человеческом организме, могут играть важнейшую роль как в возникновении и развитии рака, так и исходе противораковой терапии. Авторы неожиданно обнаружили кооперацию между бактериями и животными клетками, в которой бактерии помогают клеткам-хозяевам получать никотинамидадениндинуклеотид (НАД) — кофактор, необходимый для жизнедеятельности этих клеток. Благодаря этой кооперации раковые клетки, содержащие бактерии, становятся невосприимчивы к противораковому лекарству, ингибирующему никотинамид-фосфорибозилтрансферазу (НАМФТ) — ключевой фермент в биосинтезе НАД. Даже в условиях блокировки этого фермента лекарством работает бактериальный аналог, обеспечивающий поступление НАД из бактерии в раковую клетку-хозяина. Этот пример показывает важность целевой доставки антибактериальных препаратов в раковые опухоли для эффективной терапии рака.

Алексей Бобровский, главный научный сотрудник химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова: открытие новой жидкокристаллической фазы

— Нашу повседневную жизнь сейчас сложно представить без жидких кристаллов. Они в дисплеях компьютеров, ноутбуков, мобильных телефонов и других устройств, назначение которых — отображать, передавать и преобразовывать оптическую информацию. Несмотря на то что открыты жидкие кристаллы очень давно, в конце IX века, а активно используются с конца 60-х годов прошлого столетия, их потенциал далеко не исчерпан. Более того, многое в их поведении остается загадочным, и до сих пор ученые открывают новые жидкокристаллические фазы (типы структур, в которые упорядочиваются молекулы).

В 2020 году американские ученые объявили о первом экспериментальном наблюдении сегнетоэлектрической нематической фазы. Несмотря на то что эта фаза была предсказана еще сто лет назад физиками Питером Дебаем и Максом Борном, найти ее до сих пор не удавалось. Особенность этой фазы заключается в том, что все дипольные моменты молекул ориентированы в одну сторону, что приводит к появлению огромной так называемой спонтанной поляризации. С другой стороны, давно известная «обычная» нематическая фаза характеризуется случайной направленностью диполей, за счет чего суммарная электрическая поляризация равна нулю. Измеренные значения спонтанной поляризации новой фазы огромны — 6 мкКл/см2, поэтому авторы статьи считают, что открытие сегнетоэлектрической нематической фазы может привести к революции в ЖК-технологиях.

Валентин Анаников, академик РАН, член Европейской академии (Academia Europaea), руководитель отдела Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН: разработка новых материалов с учетом их полного жизненного цикла

— Каждый год химики синтезируют новые улучшенные материалы и открывают новые реакции. Из всего этого многообразия результатов есть что выбрать и отметить в качестве ярких открытий, и наверняка мои коллеги отметили такие события. Мне же хочется сформулировать важное концептуальное достижение из мира химии 2020 года. При получении новых материалов или создании новых процессов химики начали программировать в свои разработки идеи полного жизненного цикла. При дизайне новых материалов на молекулярном уровне программируются не только их практически важные свойства, но и пути их регенерации после использования, трансформации и утилизации в конце жизненного цикла. Вновь создаваемые процессы сразу проектируются для реализации замкнутых циклов без отходов и без загрязнения окружающей среды. Контроль химических процессов на уровне отдельных молекул и иерархическая сборка функционализированных гибридных материалов открывают возможности для такого программирования веществ и их реакций. Конечно, это только начало пути и еще очень многое предстоит сделать. Результатом может стать реализация проектов устойчивого развития, очистка планеты от загрязнений и преодоление хемофобии в обществе.

Владимир Сигаев, профессор, заведующий кафедрой химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева: разработка сверхстабильной оптической памяти и другие работы в области фемтосекундной лазерной записи

— В этом году на кафедре стекла были продолжены исследования процессов фемтосекундной лазерной записи микро- и наноструктур в различных стеклообразных материалах, направленные на развитие технологии сверхстабильной (то есть не требующей перезаписи неограниченно длительное время) архивной оптической памяти.

Мы показали, что наиболее перспективным материалом для быстрой записи данных является нанопористое высококремнеземистое стекло. Всего несколько импульсов оказалось достаточным для того, чтобы сформировать пит в виде двулучепреломляющей микрообласти, а совсем недавно для этого требовались многие десятки и даже сотни импульсов, поскольку все работы по созданию «вечной» памяти и нами, и компанией Microsoft, и японскими учеными проводились ранее исключительно на кварцевом стекле. Мы оптимизировали параметры записи для создания цветных аналоговых изображений и записали в стекле миниатюрную и вечную таблицу Менделеева. Записанные в кварцевом и нанопористом стекле данные полностью сохраняются после выдержки носителя при температурах до 800 градусов и даже после закалки в воду.

В 2020 году мы продемонстрировали возможность создания оптического волновода в объеме прозрачного ситалла с ультранизким значением коэффициента теплового расширения. Подобный ситалл, активированный ионами редкоземельных элементов, может рассматриваться в качестве основы для создания новых светоизлучающих термостабильных оптических сред.

В новой для нас области фемтосекундной лазерной сварки нами доказана возможность чрезвычайно прочного соединения стекол и ситаллов со сплавами, в том числе со сплавами инварной группы с очень низкими значениями коэффициента теплового расширения.

Евгений Гудилин, заместитель декана ФНМ МГУ, профессор химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, член-корреспондент РАН: новые материалы для солнечной энергетики на основе перовскитов

— 2020 год запомнится всем вирусом и изоляцией, однако научное общество не стояло на месте. Одной из самых горячих тем стало переосмысление направлений развития новых материалов для солнечной энергетики — в частности, разработка солнечных батарей на основе гибридных органо-неорганических перовскитов, галогенблюмбатов и их производных, а также поиск путей повышения их операционной стабильности. В целом развитие данного направления являтся примером симбиоза химии, материаловедения, физики и современных тонкопленочных технологий. Гибридные галогенплюмбаты продолжают традиции «звездных» перовскитов — от высокотемпературных сверхпроводников до материалов с колоссальным магнетосопротивлением, которые всколыхнули и научный мир, и все общество. Достигнутые значения эффективности выше 25% для самих перовскитов и выше 29% для двухкаскадных тандемов с кремнием приближают момент практического применения этих революционных материалов. Более подробная информация в течение всего ковидного года собиралась Московским университетом и Российской академией наук в двух открытых лекториях выдающихся ученых.

Сергей Нечаев, директор лаборатории Понселе (CNRS, Москва, Независимый московский университет), сотрудник ФИАН им. П. Н. Лебедева: описание движения молекул через пористую мембрану как экстремально случайного процесса

— В последние годы физики стали активно изучать класс явлений, относящихся к «экстремальным случайным процессам». В качестве типичных примеров можно привести физические системы из совершенно разных областей науки и жизни: это и распространение фронта пламени, и рассасывание автомобильной пробки на шоссе, и типичная форма границы жидкости, которая поднимается по промокательной бумаге, опущенной в чернила, и поведение вытянутого полимера вблизи выпуклой границы.

Для всех этих систем закон больших чисел приводит не к обычному «нормальному распределению» (то есть распределению Гаусса), к которому мы все давно привыкли, а к некоторому более сложному универсальному закону, который имеет другие статистические характеристики.

Недавно было предложено использовать обнаруженную закономерность при решении ряда физико-химических задач. Оказалось, что прохождение молекул через пористую мембрану очень чувствительно к форме пор. Типичная траектория движения молекулы в потоке представляет собой направленное движение вдоль линии тока и диффузию в поперечном направлении. Поперечные флуктуации создают неопределенность для продольного движения частицы, все время «сбивая прицел», в результате чего эффективное сечение поры в мембране должно учитывать размер частицы вместе с окружающей ее диффузионной «шубой». Недавно было показано, что можно существенно уменьшить размер флуктуационной «шубы», сделав канал выпуклым или конусообразным. В этом случае поперечная диффузия частицы в канале существенно уменьшается, и частица намного легче проходит через пору того же сечения.

Управление флуктуациями направленного движения частиц в потоках путем изменения геометрии стенок канала представляется весьма перспективным направлением современной физической химии.

Ольга Волкова, профессор кафедры физики низких температур и сверхпроводимости МГУ им. М. В. Ломоносова: сверхпроводимость при комнатной температуре и другие работы

— Первая, самая важная работа в 2020 году в моей области, на мой взгляд,— это, конечно, открытие сверхпроводимости при комнатной температуре в смеси H2S, H2 и CH4 под давлением. Смесь сероводорода с водородом трансформируется под очень большим давлением в H3S, с которым связывают рекордные параметры сверхпроводящего состояния. Доступныи и понятныи обзор на русском языке более чем столетнеи истории вопроса открытия комнатнои сверхпроводимости можно услышать в лекции Игоря Мазина на Россииском коллоквиуме по современным проблемам физики конденсированного состояния.

Вторая — это обнаружение зарядового упорядочения в CsW2O6 при 215 К. Для вольфрама неестественно присутствие электронов на d-орбитали. В этом соединении часть ионов вольфрама формально присутствует в зарядовом состоянии W5+(5d1). Система CsW2O6 избавляется от «магнитного» электрона вольфрама, испытывая структурныи переход.

Наконец, третья работа посвящена нанопористым d-металлам. В ней описан широкий класс 3d–5d-металлов (W, Re, Ta, Mo, Ti, Co, и Ni), полученных в виде нанопористых материалов после аккуратного нагрева их соединении с селеном и серои. Такие материалы обладают высоким отношением площади поверхности к объему и электропроводности/теплопроводности.

Анатолий Антипов, профессор научно-образовательной лаборатории ЭМХИТ РХТУ им. Д. И. Менделеева: распространение электрохимической энергетики

— Водородный транспорт, открытие гигантских заводов по производству и переработке аккумуляторных батарей, внедрение «умных» энергосетей — каждую неделю мы слышим о новых источниках тока, и это неслучайно. Глобальные темпы потребления электричества растут многократно, и это перестраивает всю структуру энергетики: людям все чаще нужно не просто сгенерировать электричество, чтобы моментально его передать и распределить по нагрузкам, а еще запасти излишки, чтобы запитать свои портативные устройства, транспорт или, например, пустить энергию, сгенерированную солнечными батареями днем, на какие-то приборы, работающие ночью. Электричество — это кровь цивилизации, и сейчас она начинает течь новыми путями. Как кровеносная система организмов перестраивается в процессе эволюции синхронно с остальным телом, так и энергетика ищет новые формы.

Свой скромный вклад в эту эволюцию, точечную мутацию, что ли, в минувшем году внесла и наша лаборатория. Есть такой пока малоизвестный в России тип накопителей энергии, как проточные редокс-батареи. Их можно назвать гибридом литий-ионных аккумуляторов и топливных элементов: это батарея, в которой электрическая энергия обратимо запасается и высвобождается за счет электрохимических реакций растворов электролитов, хранящихся в отдельных емкостях и непрерывно прокачиваемых через батарею во время работы. Такие системы с экономической точки зрения перспективны для хранения огромных объемов энергии в узлах больших энергосетей, и в Китае сейчас как раз планируется запуск самого большого накопителя электроэнергии в мире, работающего на основе ванадиевых проточных редокс-батарей.

Наша же лаборатория предложила новую конструкцию сердца этой системы — самой разрядной ячейки, в которой протекают электрохимические реакции с электролитами. Мы испытали ее на самых популярных ванадиевых электролитах и показали, что наша конструкция ячейки, с одной стороны, обеспечивает хорошие ключевые характеристики батареи, а с другой — сильно упрощает работу экспериментаторов и дает им возможность гораздо легче варьировать ключевые компоненты ячейки и подбирать ее оптимальные режимы работы. Сейчас мы сами работаем сразу с несколькими типами проточных редокс-батарей, использующих ванадиевые электролиты, бромсодержащие электролиты, а также органические электролиты, и готов цикл публикаций про наши результаты.