Академик Иванов: наука будущего будет междисциплинарной

Что нужно, чтобы заинтересовать ребенка наукой? Что важнее — знающий учитель или хороший учебник? Что такое ионогели и почему они важны для развития современных технологий? Об этом рассказывает академик Владимир Иванов, директор Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН.

— Ситуация с учебниками сейчас меняется. Академии наук было дано поручение разработать новые единые школьные учебники — как базовые, так и углубленные. Изначально академия выполняла только экспертную функцию, но через некоторое время полномочия были расширены: теперь мы говорим не только об экспертизе, но и о подготовке самих учебников.

— Примерно так это и происходит. Другое дело, что экспертизой занимаются не только члены соответствующей комиссии РАН, но и привлеченные эксперты — члены академии, профессора РАН и многие другие ученые, отобранные по принципу высокой квалификации. Прежде чем учебники будут одобрены, они подвергаются многоуровневой экспертизе.

— Такую работу организует академик Степан Калмыков, вице-президент РАН, возглавляющий комиссию по экспертизе федеральных государственных образовательных стандартов и учебников. При подготовке учебников базового уровня за основу взяли хорошо зарекомендовавший себя комплект учебников, которые некогда были подготовлены коллективом специалистов с химического факультета МГУ под руководством академика Валерия Лунина. Валерий Васильевич ушел из жизни, но тот авторский коллектив, который он сформировал, прекрасно работает и сейчас, и именно стараниями его коллег были созданы новые, переработанные учебники. В качестве научных редакторов этих учебников выступили Калмыков и я.

Надо сказать, что речь идет не только о школьных учебниках, но и учебниках для среднего профессионального образования, которое сейчас активно развивается. Так вот, весной этого года в условиях довольно жестких временных ограничений новые химические учебники были написаны и отредактированы, а впоследствии прошли экспертизу РАН. В 2027 году эти учебники должны появиться в школах, и сейчас продолжается большая работа по их изданию.

— В этом году — да. Целый ряд новых учебников выпускает издательство «Просвещение», с которым у нас очень позитивный опыт взаимодействия, что и позволило и авторам, и редакторам выдержать заданные сроки.

— Были, конечно. Например, в начале 2000-х годов ИЮПАК, Международный союз теоретической и прикладной химии, решил, что к числу щелочноземельных элементов, к которым традиционно относят кальций, стронций и барий, надо добавить и остальные элементы из этой подгруппы, а именно бериллий и магний. Но эти два элемента на самом деле очень сильно отличаются по химическим свойствам от кальция, стронция и бария. Наверное, не наше дело критиковать решение ИЮПАК, да и невозможно в школьном учебнике объяснить, почему столь разные элементы отнесены к одной и той же категории щелочноземельных элементов. Мы с коллегами решили ограничиться ставшим традиционным рассмотрением свойств кальция, стронция и бария, но также дать примечание, что, согласно современной классификации ИЮПАК, к этим элементам относятся еще бериллий с магнием.

— Да, не стали, ведь обсуждать решение ИЮПАК в рамках школьной программы — это уже чересчур. Издательство «Просвещение» пошло нам навстречу, посчитав, что наши доводы и способ изложения такого материала правильны. Много подобных вопросов возникает.

— Конечно.

За критику буду признателен, экспертный взгляд никогда не лишний. Кстати, не так давно новые учебники были разосланы всем членам нашего химического отделения РАН на предмет дополнительной проверки. Очень рад тому, что наша работа получила высокую оценку коллег по отделению. Мы можем констатировать, что учебники уже достаточно выверенные.

— У нас до последнего времени существовало много разных учебников. Я не знаю, по какому принципу и как они отбирались. Лет десять назад я купил все то, что в тот момент было в продаже. Первое, что бросалось в глаза,— это способ изложения. Он очень разнился у разных авторов. Не очень понятно, насколько дети, обучавшиеся по столь разным учебникам, могли обладать гарантированным уровнем знаний.

— Нет никакого сомнения, что личность учителя, педагога необычайно важна. Но важен и учебник. Понятно, что я не мог все существовавшие учебники досконально изучить. И все же: в одном из этих учебников я увидел картинку, из которой следовало, что перманганат калия, всем известная марганцовка, в водном растворе существует в виде молекул, а не ионов, хотя это соединение полностью диссоциировано в водном растворе. Это грубейшая ошибка. Не могу исключать, что подобного рода ошибок было много. Поэтому сама идея экспертизы и написания учебников с привлечением предметных специалистов, членов Академии наук, кажется очень рациональной. Наверное, так и раньше надо было делать.

— Нет, я думаю, что без хорошего учебника учитель не справится. Одно и другое должно взаимодополняться. Что касается учителей — на том же химфаке МГУ каждое лето проводится Школа учителей химии, куда приезжают сотни педагогов со всей страны. Безусловно, это позволяет повысить их профессиональный уровень. Подготовке и повышению квалификации учителей химии нужно уделять самое пристальное внимание, ведь это непосредственно сказывается и на уровне подготовки учеников.

— Да как-то не сложилось, хотя я немного преподаю в вузах. Но ряд сотрудников нашего института работают учителями химии в московских школах по совместительству. Наш институт с такими школами активно взаимодействует, дети из этих школ приходят к нам для выполнения своих проектов. Это проекты, я бы сказал, уже не школьного уровня, это вполне себе научно-исследовательские работы. Ребята, которым удается у нас поработать, получают отличный опыт, многие потом поступают в химические вузы и к нам возвращаются.

— Нет, конечно. Выросло это все из программы «Академический класс в московской школе». Эта программа была инициирована правительством Москвы и Министерством науки и высшего образования. В рамках программы были заключены трехсторонние договоры между школами, университетами и научными организациями с целью организации проектной деятельности школьников, для внеклассных занятий. Это замечательная программа. Мы в нее практически с самого начала вошли. Через нее прошло изрядное количество школьников, и их поток не иссякает. Исследования ребят были опубликованы, причем в ведущих международных научных журналах. К моменту поступления в университет у детей возникает полноценное научное портфолио, они получают опыт участия в научных конференциях.

— Кого-то одного называть — это других обидеть. Но у нас в институте есть очень сильное научное направление, связанное с химией координационных соединений, в том числе биологически активных. Вот в эту область исследований идет достаточно много школьников. Ребята под руководством опытных наставников участвуют в создании новых антибактериальных препаратов — например, противотуберкулезных.

— Конечно. Наш институт — один из крупнейших. У нас, например, есть сильная научная школа, связанная с соединениями редкоземельных элементов. Год назад наш институт вместе с Институтом физической химии и электрохимии и Кольским научным центром выиграл право на реализацию гранта по созданию научного центра мирового уровня по редким и редкоземельным металлам. К этим исследованиям мы также привлекаем школьников. Есть очень сильное направление, связанное с химией бора. Если же говорить о том, что близко лично мне, то это создание новых неорганических материалов, в том числе биоматериалов. Материаловедение не может развиваться в отрыве от химии, и Николай Курнаков, основатель нашего института, был не только блестящим химиком, но и выдающимся материаловедом, хотя в те годы само слово «материаловед», наверное, не существовало. Он занимался в том числе созданием новых сплавов.

— В нашем институте во второй половине XX века работал академик Иван Тананаев, который фактически заложил основы неорганического материаловедения. Это и тугоплавкие материалы, и оптические материалы, и материалы на основе тех же самых редкоземельных элементов, и многое другое. Для разных отраслей промышленности требуются очень разные материалы, хотя принципы их создания с точки зрения химии более или менее едины. Я расскажу только об одном, совершенно новом классе материалов, которых в XX веке просто не существовало. Речь идет о так называемых ионогелях. Это материалы, которые представляют собой аморфную матрицу, заполняемую так называемыми ионными жидкостями. Наиболее привычный и понятный для нехимиков пример такой аморфной матрицы — это силикагель, очень хороший осушитель. Заполняя такой силикагель ионными жидкостями, мы получаем различные ионогели.

— Первые ионные жидкости были получены еще в начале XX века, хотя термин появился намного позднее. Такую жидкость создал знаменитый российский химик Пауль Вальден, известный еще и тем, что с 1911 по 1919 год был директором химической лаборатории Академии наук, из которой потом возник наш институт. Символично, что мы на новом уровне возвращаемся к тому, что делали наши предшественники. Кстати, в наших новых школьных учебниках достойно отражен и вклад российских химиков в развитие мировой химической науки, и современные химические концепции.

Итак, что такое ионные жидкости? Это органические вещества, которые при комнатной температуре находятся в жидком состоянии, и при этом, в отличие от привычных нам органических соединений, органическое вещество в них имеет ионное, а не молекулярное строение. Это уникальный класс соединений. Наиболее близким аналогом ионных жидкостей являются расплавленные соли, тот же хлорид натрия. Если мы расплавим поваренную соль, мы тоже получим ионную жидкость, но она будет оставаться жидкостью только при очень высоких температурах, в отличие от органических аналогов.

— Потому что у неорганических солей очень прочная кристаллическая решетка. Для того чтобы их расплавить, их нужно сильно нагреть. В ионных жидкостях за счет использования объемистых ионов удается ослабить энергию связей между ионами, поэтому они плавятся при сравнительно низких температурах.

— Поскольку подвижность ионов в ионных жидкостях высокая, они прекрасно проводят электричество. Отсюда и интерес к ним, который в первую очередь связан с возможностью применения в аккумуляторах, в солнечных батареях, там, где нужны жидкие электролиты. В этой области у химиков-синтетиков большое пространство для маневра, потому что количество возможных сочетаний «анион—катион» очень велико. Думаю, что порядка триллиона разных ионных жидкостей можно получить, вопрос лишь в том, будет ли это экономически оправданно.

— Второе применение — использование ионных жидкостей в органическом синтезе. Это тоже востребованное направление исследований, потому что ионные жидкости могут выступать и в качестве растворителя, и в качестве катализатора в различных органических реакциях. И еще одно важное применение связано с тем, что ионные жидкости — это превосходные экстрагенты. На их основе можно создавать самые разнообразные экстракционные системы для селективного выделения веществ из смесей.

— За счет грамотного подбора состава ионной жидкости можно получать селективные, избирательно действующие экстрагенты, извлекающие именно ценные компоненты из смесей. При этом ионные жидкости практически нелетучи, в отличие, например, от большинства органических растворителей и воды. Ионные жидкости не испаряются, не высыхают, для практического использования это очень важно. Была даже оживленная научная дискуссия, есть ли у них вообще хоть какое-то измеримое давление паров. Однако при эксплуатации ионных жидкостей могут возникать другие проблемы, связанные с тем, что, хотя испариться эта жидкость не может, но она может куда-нибудь протечь. Поэтому пользоваться ионными жидкостями не всегда удобно.

— Да, именно поэтому в ряде случаев ее целесообразно иммобилизовать, закрепить. Именно тут на помощь приходят неорганические аморфные матрицы, тот же силикагель. Поместив ионную жидкость в матрицу, мы ее фактически фиксируем. За счет действия сил поверхностного натяжения жидкость будет удерживаться в матрице и никуда уже не вытечет. Получается уникальный материал — ионогель, который внешне немного напоминает обычное фруктовое желе. Ионогель (в отличие от ионной жидкости) держит определенную форму, не дает жидкости вытечь, а испариться она не может, потому что ей это несвойственно. На основании такого высокотехнологичного «желе» можно разрабатывать нужные и полезные устройства или компоненты таких устройств.

— Да, начали. Но наш первичный интерес к ионогелям возник из другого. Я уже упоминал, что ионные жидкости могут выступать в качестве экстрагентов. Проблема лишь в том, как реализовать процесс экстракции. Если мы смешаем ионную жидкость с раствором, из которого нужно извлечь ценный компонент, проведем экстракцию этого компонента, то из образовавшейся смеси будет очень сложно извлечь ионную жидкость обратно, с целью повторного использования. Напомню, ионная жидкость дорогая. Наша идея заключалась в том, чтобы попробовать создать новые экстрагенты на основе ионогелей, чтобы ионная жидкость удерживалась в матрице и при этом сохраняла способность экстрагировать ценные компоненты из различных смесей. А потом мы могли бы просто извлечь ионогель из раствора вместе с ионной жидкостью и с тем полезным веществом, которое нам требовалось экстрагировать.

— На бумаге все просто. Ионогели мы получили достаточно быстро. Но на практике мы столкнулись с проблемой, о которой никто не пишет, хотя с ней сталкиваются все. Когда ионогели контактируют с водной средой, ионная жидкость может в эту водную среду частично уйти. Мы потратили немало времени на то, чтобы понять, каким образом нужно конструировать новые ионогели, чтобы ионная жидкость при экстракции не уходила в воду и не терялась. Этого удалось достичь за счет сочетания двух очевидных подходов.

Использовали совершенно разные матрицы: и уже упоминавшийся неоднократно силикагель, и более сложные неорганические матрицы, и полимерные гели. В результате мы добились того, что потери ионной жидкости при экстракции будут разумно малы. Но нет предела совершенству. Может быть, когда-то мы сумеем добиться того, чтобы ионная жидкость вообще не выходила из ионогелей.

— Существует довольно популярное направление по созданию так называемых суперконденсаторов. Это тоже накопители энергии, но у них скорость заряда—разряда существенно выше, чем у аккумуляторов. Это направление нас очень интересует. Второе — сенсорика. На основе ионогелей можно изготавливать пленочные сенсоры, которые в силу особенностей ионных жидкостей будут чувствительны к очень низким концентрациям определяемых веществ. Применение, которое сейчас многих интересует, это определение тех или иных компонентов в составе биологических жидкостей (например, пота) для диагностирования тех или иных заболеваний человека. Cоответствующие разработки уже ведутся, но с помощью ионогелей можно добиться заметно лучшей чувствительности.

— К сожалению, это не так. Некоторые ионные жидкости не только не полезны для человека, но даже токсичны. Но есть и целый ряд нетоксичных. На их основе можно делать ионогели, которые будут абсолютно безвредны для человека, и далее создавать накожные сенсоры. Это могут быть датчики для измерения температуры, давления, движения конечностей. Еще одно применение, отчасти дополняющее сенсорику, это чрезкожная доставка лекарственных препаратов. Для этого мы можем конструировать ионогели, состоящие не только из аморфной матрицы и ионной жидкости, но и включающие в свой состав различные лекарственные соединения, которые растворимы в этой ионной жидкости. Эти соединения будут постепенно, пролонгированно поступать через кожу в организм.

— Ионогели, я напомню, не высыхают. Нанося ионогель на кожу, мы можем рассчитывать на более продолжительный терапевтический эффект. Конечно, для создания этих и других современных материалов нужно не только понимать принципы их химического конструирования, но и проводить исследования с привлечением специалистов из других областей — физиков, биологов, медиков. Материаловедение будущего, безусловно, будет иметь междисциплинарный характер.

Как и наука вообще.