Материалы будущего, которые мы заслужили

Недавно появились новые материалы — с порами тоньше комариного носика. Их число продолжает расти лавинообразно, обещая нам интересное будущее. Каково их применение? Рассказывает эксперт из Международного центра по теоретическому материаловедению.
Евгений Александров
кандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов, доцент кафедры общей и неорганической химии Самарского государственного технического университета, победитель Президентской программы Российского научного фонда

 

Современная наука опирается на предположение, что микроструктура определяет макросвойства. Иначе говоря, то, каким образом атомы соединяются в материале, влияет на свойства материала.

Ярким примером материалов, которые можно конструировать, являются металлоорганические каркасы. Они были открыты совсем недавно — около 20 лет назад, — благодаря трудам Майкла О'Кифа и Омара Яги из США. В чем парадокс этих материалов? С химической точки зрения это просто соль, образованная органической кислотой и основанием какого-то металла. Но когда вещества соединяются, получается свободное пространство — ячеистая структура. Эти ячейки или поры обладают уникальным свойством: 1 г кристаллов имеет площадь поверхности, сравнимую с площадью футбольного поля. Такая скрытая сила имеется в этом необычном веществе!

При этом их синтез достаточно простой. Мы берем два раствора, смешиваем, и в результате выпадают кристаллы. Этот процесс напоминает сборку конструктора Lego. Нужно лишь найти инструкцию, по которой мы соберем что-то интересное.

Сколько инструкций (или базовых сеток) мы можем придумать? Один из наиболее упорных и увлеченных коллекционеров таких инструкций Майкл О'Киф за пять лет смог собрать порядка 700. В нашем центре по теоретическому материаловедению мы создали свою экспертную систему, которая за несколько дней собрала порядка 90 000 таких базовых сеток, и теперь мы ищем, как эти инструкции применить в тех или иных областях.

Вот несколько примеров применения.

Генераторы кислорода

Вместе с ученым из Италии мы изучаем слоистые соединения. С их помощью мы стараемся воспроизвести процесс, который происходит в природе: высвобождение кислорода из растений. Мы вводим марганец в химическое соединение, похожее на хлорофилл, помещаем в пробирку, заливаем водой и выносим на солнце. При этом начинает выделяться кислород — его количество растет непрерывно. Беда в том, что такие катализаторы живут недолго — семь минут. Но если каждую молекулу поместить в отдельную ячейку нашего кристалла, то разрушения не происходит, стабильность увеличивается в 20 раз. Такой катализатор работает восемь часов. Чудеса!

Ловушки для углекислого газа

Поговорим о кристаллах, которые изменят наше будущее. Это микропористые губки — почтальоны и ловушки. Они способны улавливать CO2 даже в малой концентрации, когда он составляет всего 0,04% в воздухе. Есть два варианта, как справиться с выбросами: либо мы ловим углекислый газ прямо из трубы, либо на ветру. Вместе с китайской группой мы придумали способы сборки сотоподобных материалов, в которых имеются винтовые каналы, способные улавливать углекислый газ. Отличие материала в том, что его можно многократно растворить, постирать, снова кристаллизовать, и он будет как новенький.

Будущее водорода и бензина

Другой вариант будущего — переход на водородную энергетику. Водород не производит CO2 и дает в два раза больше энергии при сгорании. Было бы интересно использовать его в промышленности вместо ископаемого топлива. Но возникают вопросы: «Как его добыть? Как хранить? Как сжать, чтобы использовать?» Температура сгорания водорода очень высокая, он может вывести из строя двигатель внутреннего сгорания. Это самый легкий газ в мире, и, если мы хотим его сжать, требуется очень большое давление: в 800 раз больше, чем давление, в котором мы живем. Это взрывоопасно.

Поэтому нужны определенные материалы: катализаторы, которые позволяют получить водород, сорбенты-поглотители или ловушки — это такие молекулярные контейнеры, которые позволят собрать водород в маленьком пространстве, например в баллоне автомобиля. И еще нужен катализатор, который поможет водород окислить без взрыва, без высокой температуры.

Но где взять такие материалы? Решением могут стать наши микропористые губки: они впитают в себя водород, и давление мы можем использовать уже не 800 атмосфер, а 70 или 90, и температура будет комнатная — +25 °С, а количество водорода потребуется то же самое.

Но пока от бензина мы никуда не ушли. И в этой сфере мы тоже развиваем новые материалы. Бензин АИ-95 отличается от АИ-92 тем, что в нем находятся более разветвленные молекулы. При их разделении в химпромышленности сжигается 15–30% бензина. А мы предлагаем ничего не сжигать, а просто просеять молекулы, как песок, через молекулярное сито. Мы нашли металлоорганические каркасы с такими ячейками сита, которые позволяют отсеивать большие молекулы от маленьких.

Вода из воздуха и сбор йода

Интересное решение было найдено Омаром Яги после того, как он пожил в пустыне. Из пористого материала, который впитывает влагу из воздуха, он создал установку, которая может получить 2 л питьевой воды за сутки из сухого воздуха. Позже с инженерами MIT эту установку усовершенствовали, и теперь 1 кг такого поглотителя может улавливать 100 л воды за сутки.

При определенной сборке каркасы обладают дышащими свойствами, или эффектом набухания. Так, кристалл увеличивается в шесть раз, поглощая молекулы йода. А молекулы йода являются одним из продуктов радиоактивного распада ядерной бомбы. Мы живем в мире, где уже никуда не деться от атомной энергетики, и это свойство также может быть полезно для очистки загрязнений.

Спасение от рака и доставка лекарств в клетки  

Другая опасность, которая нас подстерегает, — канцерогены. Например, дихромат калия и бензол. Это такие молекулы, которые встраиваются в наш геном и, разрушая ДНК, приводят к раковым заболеваниям. Клетка сходит с ума и начинает бесконтрольно размножаться. В США была история, когда одна компания допустила утечку дихромата калия в почву и грунтовые воды, и вскоре в ближайших населенных пунктах повысилось количество онкозаболеваний. Чтобы подобного не происходило, нужно очищать почву и воду от загрязнений.

Вместе с профессором из Китая мы предложили вариант каркаса, который в считаные минуты способен удалить дихромат калия из раствора. Мы можем также обнаружить с помощью специальных электропроводящих каркасов, присутствует канцероген в воде или нет.

И последнее приложение, которое мы сейчас развиваем в Самарском медицинском университете, — это доставка лекарств в клетки. Обычно лекарства не только убивают раковые клетки, но и вредят здоровым клеткам. Но если поместить лекарство в оболочку, оно пройдет через мембрану гораздо быстрее и легче, а значит, нам можно уменьшить количество лекарства, что снизит вред для организма. Высвобождение лекарства происходит только в больных клетках, потому что там повышенная кислотность, что приводит к растворению оболочки. В итоге лекарство выходит там, где оно больше всего нужно, и действует так, как нам бы этого хотелось.

Обычно от разработки идеи до практического приложения проходит около 20 лет. Сейчас наука пытается сократить этот путь. В этом нам помогает моделирование и возможности искусственного интеллекта.

Подробнее смотрите на канале «Наука» в выпуске «Материалы будущего».

Прочнее стали: химики создали пластик, считавшийся невозможным

БелАЗ: как делают самый большой карьерный самосвал в мире?

Как нулевые результаты исследований двигают науку вперед

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации