Чем химическая физика отличается от физической химии? Что общего между хоккейной клюшкой и «чёрным крылом» современного истребителя? На каком топливе будут ездить автомобили будущего? На эти и другие вопросы главному редактору «Аргументов недели» Андрею УГЛАНОВУ отвечает российский учёный, специалист в области химической физики, кристаллохимии, химии твёрдого тела и квантовой химии, доктор химических наук, академик РАН Сергей АЛДОШИН.
«Чёрное крыло» и «белое волокно»
– Здравствуйте, Сергей Михайлович. Я окончил в своё время МАИ. Самым страшным предметом для меня была физическая химия. А вы специалист в химической физике. Чем эти предметы отличаются друг от друга?
– Этот вопрос уходит корнями в глубь истории, когда зарождалась физическая химия. С тех пор разница между ними почти исчезла. В моей формулировке физическая химия – это применение физических методов для изучения химических реакций. Например, оптической спектроскопии. А вот химическая физика – это физика элементарных актов химических превращений. На мой взгляд, химическая физика – это основа химии. Потому что химическая физика изучает кинетику происходящих процессов и механизмы этих процессов. Если мы понимаем кинетику – то есть скорость, зависимость влияния на эту скорость температуры, давления, других внешних условий, то мы фактически можем управлять процессом химических реакций. Неслучайно основателем направления химической физики является великий академик Николай Николаевич Семёнов. По образованию он был физик, но всю жизнь занимался проблемами химии.
– В наше время хоккей был жутко популярен среди пацанов. Чтобы не разбивать дефицитные клюшки, мы брали стеклоткань, обматывали ей крюки клюшек и заливали эпоксидной смолой. По сути, это был прообраз прочно вошедших в обиход сегодня композитных материалов. Самый известный способ их применения – так называемое «чёрное крыло» у самолётов – того же МС-21. Чем отличаются наши стеклоткани с «эпоксидкой» из детства от нынешних композитных материалов?
– Да, стекловолокно – вчерашний день. А вот углеволокно – день сегодняшний. Изделия, в том числе для авиации, делаются именно из него. А эпоксидная смола – связующее вещество для углеродных волокон. Технология получения углеволокна весьма сложная. Она была в своё время создана именно в Советском Союзе и благополучно потеряна в случившееся потом безвременье. Нам сейчас предстоит её воссоздать.
Проблемами создания углеволокна и углепластика в нашей стране занимаются многие организации. Большую роль в этом играет Институт авиационных материалов. Сейчас этим занимается «Росатом». Нам удалось восстановить технологию получения белого углеволокна, которое ещё не совсем углепластик. Получение чёрного углеволокна – следующий шаг в получении композиционных материалов, очень прочных, обладающих уникальными свойствами. В воссоздании этой технологии активно участвует и Академия наук.
– А что мешает вернуть уже известные технологии?
– Есть несколько подходов. Один из них состоит в получении белого углеволокна на основе радикальной полимеризации, когда в образовании длинных полимерных молекул участвуют радикальные молекулы, несущие неспаренные электроны. А есть другой подход, который разрабатывается в Федеральном исследовательском центре проблем химической физики и медицинской химии в подмосковной Черноголовке, где я был директором института больше 25 лет. Мы разработали новую технологию так называемой анионной полимеризации. Главная проблема – получить сами углеродные цепочки, к которым предъявляются определённые требования. Сначала получается полимерная цепочка, в которой помимо углерода содержатся и другие молекулы – азота, кислорода. Потом они из цепочки удаляются. Остаётся цепочка чёрного углеволокна, которое вместе со связующими веществами образует композиты, которые требуются для новых технологий.
Что не купишь за границей?
– Какие новые материалы в области вашей науки – химической физики – появились за последние десять лет?
– Начнём издалека. Сейчас задача даже не в том, чтобы создать новые материалы. А в том, чтобы воссоздать производство материалов по технологиям, которые уже имелись, но по известным причинам были утеряны. В стране есть программа малотоннажной химии. Это создание новых веществ и материалов, которые нужны в небольшом количестве. Но без этого мы не можем создать ни «чёрные крылья», ни новые двигатели. И здесь проблема в том, что многие вещества и технологии их получения также потеряны. Для того чтобы добиться технологической независимости нашей страны, и принята программа малотоннажной химии, которая должна закрыть те ниши по исходным веществам, которые сейчас нужны для получения новых «умных» материалов.
– Что это за ниши и что за материалы?
– Могу привести пример из нашего федерального исследовательского центра в Черноголовке. Это материал для микроэлектроники, которая является одной из главных областей технологии, нужной стране. Без подъёма микротехнологий мы дальше двигаться не сможем. Президент Российской академии наук Геннадий Яковлевич Красников возглавляет приоритетное направление по микроэлектронике и назначен на него непосредственно президентом России. Для этого направления нужны фоторезисторы, кислотные катализаторы, подложки, различные добавки. Все эти компоненты раньше закупались за рубежом. Сейчас их приходится создавать самим.
В нашем федеральном исследовательском центре лет пять назад по инициативе Геннадия Яковлевича, когда он ещё не был президентом Академии наук, были начаты работы по созданию отечественных фоторезисторов. Таких фоторезисторов на разные длины волн нужно очень много. Это начиналось как одно из неосновных направлений работы нашего института. Но начало открытого противостояния с Западом и санкционная война показали, что это дело первостепенной важности. Мы создали в институте две молодёжные лаборатории, которые освоили технологии создания фоторезисторов, кислотных катализаторов и других материалов на определённые длины волн, которые показывают характеристики, необходимые для создания в нашей стране фоторезисторов мирового уровня. Сейчас ясно, что эту работу надо ставить на поток.
– Есть голландская фирма, которая делает устройства, из которых выходят микрочипы от 3 до 5 нанометров. Вы собираетесь сделать что-то подобное?
– Не совсем. Я говорю о производстве материалов. А уже они нужны для производства микрочипов. Мы занимаемся воссозданием тех материалов, которые уже были, тех, которые нужны сейчас, и материалов будущего.
– Можно пару слов об этих материалах будущего?
– Ещё одно из научных направлений, тоже связанное с микроэлектроникой, это изучение магнитных систем. Магнитные диски для записи информации – давно известная всем вещь. Но магнетизм – это кооперативное явление. Когда много молекул обладает магнитными свойствами, они должны направлениями своих магнитных моментов выстроиться определённым образом. Плотность записи такой информации определяется так называемым доменом – количеством молекул, которые отвечают за один бит информации. Понятно, что плотность записи в таких системах ограничена размером этих битов. Мы занимаемся созданием таких магнитных молекул, каждая из которых является минимагнитом и является битом информации. То есть она обладает магнитным моментом, у неё есть магнитный центр, который имеет неспаренный электрон. И этот электрон фактически повторяет функцию большого домена, но является при этом одной молекулой, и поэтому плотность записи увеличивается. Кроме того, эти мономолекулярные магниты находятся, как говорят в квантовой механике, в запутанном состоянии, их магнитные моменты могут быть как в одном направлении, так и в противоположном. Такие запутанные квантовые состояния перспективны для создания квантовых компьютеров.
Нанореабилитация и «умные материалы»
– Поговорим о нанотехнологиях. Для российского обывателя это словосочетание в силу определённых причин стало нарицательным, связанным скорее не с наукой, а с «распилочными» аферами. Но ваш очень серьёзный институт занимается этими нанотехнологиями!
– В том числе. Но вы правы. Слово «нано» крепко скомпрометировано. Досужие языки говорили уже и о наногалстуках, нанорельсах и несли прочую антинаучную чушь. На самом деле наноразмерное состояние ряда веществ приводит к тому, что эти частицы начинают обладать совершенно уникальными свойствами. Например, повышенной реакционной способностью, особыми физическими и химическими свойствами. Недаром все катализаторы, то есть вещества, которые ускоряют химический процесс, как правило, работают на наноразмерном уровне.
Очень важно понять, почему так происходит и почему наночастицы обладают такими свойствами. У них большая площадь поверхности по отношению к самой частице. Нужно понять, каким размером должна обладать эта частица, чтобы эти её свойства были максимально эффективны. Особенно для катализаторов. Здесь важны не только экспериментальные исследования, но и квантово-химические. Опять же приведу пример из нашей работы. Мы много занимаемся расчётом нанокластеров окислов железа. И оказалось, что в зависимости от того, какое количество атомов железа и кислорода входит в этот нанокластер, их свойства, например реакционная способность, изменяются. А магнитные свойства могут быть не просто разными, а противоположными по своему проявлению. Такие наночастицы могут быть использованы для различных вещей, не только для катализаторов.
– В МАИ на лекциях по материаловедению нам рассказывали о существовании материалов, имеющих память. То есть отправляем на Луну небольшой шар, а там под воздействием заранее определённых условий он вдруг начинает сам собой раскрываться и может превратиться в некую конструкцию. Я знаю, что вы занимаетесь среди прочего «умными» композитными материалами. Это имеет какое-то отношение к тому, о чём нам рассказывали в институте?
– Боюсь, что материалов, из которых можно получать такие большие изделия, у нас пока нет. Но есть другие подходы, например, так называемые аддитивные технологии.
– Как они работают?
– Предположим, нам нужно получить какое-то изделие. На компьютере делается дизайн изделия, которое нам нужно, а затем из ультрадисперсного порошка, который спекается под влиянием внешнего воздействия, изготавливается необходимая структура, которую потом не нужно обрабатывать. Достаточно слегка отшлифовать, и она сразу готова к применению. Всероссийский институт авиационных материалов много занимается аддитивными технологиями. Самые сложные лопатки для турбин самолётных двигателей они изготавливают именно таким способом. Это образчик «умных технологий». Но для этого нужно уметь делать математические модели тех изделий, которые нам нужны.
Недавно мы проводили несколько заседаний нашего Совета по материалам и наноматериалам совместно с медицинским отделением. Поскольку сейчас мы в одной Академии наук, то делать это стало несложно. На этом заседании мы обсуждали, какие материалы сейчас требуются нашим медикам, чтобы заместить материалы, которые раньше поступали из-за рубежа и доступа к которым мы лишились, а также какие новые материалы мы можем сделать. Например, есть проблема диабетических стоп, которые разрушаются под воздействием болезни. Что касается челюстно-лицевой хирургии, то эти работы уже давно ведутся. В этом направлении много работает вице-президент Российской академии наук академик Владислав Яковлевич Панченко. В его институте делают фрагменты черепа для операций с помощью аддитивных технологий.
Выжимаем нефть «досуха»
– Перейдём к нефтяной теме. У нас не очень хорошо, если говорить мягко, умеют проводить полную переработку нефтепродуктов. В США переработка доходит до 95%. От жидкости, которая поступает из скважины, у них только 5% уходит в отходы, а всё остальное раскладывается на разные продукты и уходит в продажу. У нас эта цифра едва доходит до 70%. Почти треть уходит «в мусор». Вы занимаетесь катализаторами. Ваш труд как-то помогает нашим нефтяникам улучшить показатели в переработке нефти?
– Глубина переработки нефти – это очень важный вопрос. И в этой части у нас в стране очень многое делается и уже сделано. Переработка тяжёлой нефти, мазута, гудрона требует специальных технологий. Академик Хаджиев был директором одного из крупных институтов нефтехимического синтеза Академии наук. Там он вместе со своим учеником Антоном Львовичем Максимовым, который сейчас возглавляет этот институт, создали технологию гидроконверсии, которая позволяет увеличить глубину переработки нефти до 95–96%. Эта технология сейчас внедряется в «Татнефти». Там построена укрупнённая установка по переработке гудрона, основанная на нанокатализаторах, которые готовятся прямо в реакторе. Причём этот катализатор не требует последующего отделения от продуктов реакции. Внедрение началось ещё при жизни академика Хаджиева, который скончался в 2018 году. Это очень перспективная технология. Кстати, оставшиеся 4–5% также можно переработать. Мы с академиком Хаджиевым начали совместную работу над этим. Совсем уж тяжёлые кубовые остатки тоже можно сжечь с пользой. В нашем институте была создана технология сверхадиабатического горения. Это, конечно, не очень точная формулировка, поскольку такого горения быть не может. Речь о том, что по нашей технологии горение можно поднять сверх температуры, предусмотренной адиабатическими законами.
В наших процессах происходит пиролиз остатков, образование СО и водорода, горючих газов, которые используются для получения тепловой энергии. То есть тяжёлые кубовые остатки можно использовать практически до конца, без отходов. Остаются только тяжёлые металлы, которые тоже можно выделять и использовать по надобности. Так что такие технологии есть. Другое дело, что их надо внедрять. К сожалению, процесс внедрения технологии гидроконверсии идёт непросто и медленно. Этой технологией очень активно интересовались американцы. Но поскольку в Татарстане всё же идёт её внедрение, то я надеюсь, что скоро дойдёт дело и до её промышленного применения.
Мордовия, Татарстан и Кузбасс – лидеры прогресса
– Я несколько раз бывал в Чехии. Там меня всегда преследовал запах горящего торфа, которым там топят. Вонь, как в наших старых поездах, где титаны с кипятком топили брикетами из торфа. А ещё огромные поля, засеянные рапсом, который использовался для получения масла, которое перерабатывалось в биотопливо для замены дизеля. Я знаю, что у вас разрабатывается технология для получения биотоплива из водорослей. Но ведь биотопливо – это жиры! Откуда в водорослях жир?
– Эти работы пока находятся на начальном фундаментальном уровне. Всерьёз об этом говорить пока рановато. А вот по поводу торфяных брикетов, которыми топится Чехия, я бы поговорил.
Вернёмся к технологии сверхадиабатического горения. И хотя в этой технологии имеется слово «горение», само горение там условное. Потому что там идёт двухэтапный процесс – сначала происходит пиролиз с образованием горючих СО и водорода, а дальше эти газы можно использовать либо в горелках для получения тепла, либо для получения электроэнергии. При этом могут быть использованы самые низкосортные топлива. Нефтеотходы, шламы, низкосортные угли и даже бытовой мусор. А ведь проблема утилизации бытового мусора стоит очень серьёзно. Это отдельное направление. Ввести туда новые технологии довольно сложно. А вот для решения других проблем эта технология активно применяется.
– Каких других проблем и где?
– Недавно губернатор Кузбасса Сергей Евгеньевич Цивилёв провёл очень значимую конференцию. Прошло 50 лет с начала очень крупной программы восстановления и развития Кузбасса. В запуске этой программы большую роль сыграла Академия наук СССР. В прошлом году эта программа подошла к концу. И у Цивилёва появилась идея перезапустить её ещё на несколько лет. Но он понимает, что это можно делать только на уровне высоких технологий вместе с Академией наук. Поэтому и организовал эту научно-практическую конференцию. В рамках конференции работали 15 секций. Во главе каждой секции стояли представитель правительства Кузбасса и член Академии наук. На эту конференцию выехало больше 50 членов Академии наук. На пленарном заседании я делал доклад. По итогам конференции мы подготовили материалов на четыре тома научно-технических докладов, обсуждений и круглых столов по созданию высокотехнологичных направлений в Кузбассе. Одно из таких направлений как раз касалось вопроса угольных шламов, в том числе низкосортных.
Литий, натрий или водород?
– Очень модная сейчас тема – электромобили. Вроде бы всё с ними хорошо. Но есть одна проблема – батареи. Они на данном этапе не могут конкурировать с двигателями внутреннего сгорания. Не могут ли конденсаторы, накапливающие энергию, заменить эти батареи?
– Этой темой очень серьёзно занимаются в Академии наук. И в нашем институте в частности. Продвигается она довольно успешно, но больше связана с водородной энергетикой. Проблема в литиевых аккумуляторах. У нас есть завод по их производству в Калининграде. Планируется ещё один. Технологии отлажены. Всё упирается в литий. Технология его выделения очень сложная. И в нашей стране она, к сожалению, также потеряна. Но сейчас эта программа активно организуется, в том числе по поручению президента России о развитии минерально-сырьевой базы.
Академии наук поручено сопровождать разведку, добычу, переработку и выделение ценных металлов и материалов из минерального сырья. В том числе и лития. «Росатом» и «Норникель» планируют развивать добычу лития на Кольском полуострове. Пока будет использоваться старая технология, разработанная в Сибири, которую приобрёл Китай, усовершенствовал и нам продал. Мы же предлагаем использовать новые отечественные технологии, разработанные в целом ряде институтов и которые дополняют друг друга. Одна из ширпотребных технологий, которую продвигает Китай, – это кислотное выделение. Это очень грязная технология. Мы предлагаем заменить кислоту на сульфатную соль. То есть технология почти та же, но усовершенствованная. Кстати, литиевые аккумуляторы довольно скоро могут быть заменены другими.
– Какими?
– Натриевыми. У каждого из этих типов есть своя ниша применения. Поэтому, борясь за технологии извлечения лития, мы должны помнить, что не литием единым. И нельзя прозевать момент, когда понадобится не литий, а натрий. Но есть и ещё один аспект. Электромобили на литиевых аккумуляторах – дело уже привычное. А вот комбинация литиевых батарей и водородного двигателя – это вопрос сегодняшнего дня. Водородное топливо – самый экологичный вид топлива, самый чистый способ получения энергии. Водород соединяется с кислородом, в результате чего образуется энергия, а в виде «выхлопа» образуется обычная вода. Но, чтобы реализовать этот элементарный процесс взаимодействия кислорода с водородом, требуется много технологических и научных решений.
Несколько лет назад в рамках национальной технологической инициативы нашего президента было создано несколько центров компетенций на базе крупных организаций, бизнес-структур и институтов Академии наук и вузов. Один из таких центров был посвящён проблеме получения и использования водорода и был создан на базе нашего института в Черноголовке. За те годы, когда мы получали поддержку от государства, мы многое сделали. В том числе решили проблему создания топливных элементов на различные мощности для различных энергоустановок. Начиная от маленьких беспилотных систем и кончая большими машинами. В этом направлении мы много работаем с КамАЗом. Комбинация литиевого аккумулятора и водородного топливного элемента оказывается экономически очень выгодной. Есть, конечно, и проблема. Все боятся водорода. Это же гремучий газ, и в смеси с кислородом он взрывается. Но мы разрабатываем и системы безопасного хранения водорода. В том числе так называемые аккумуляторы водорода, в которых он хранится в безопасном состоянии.
– Как?
– Он находится в химически связанном состоянии и совершенно безопасен и выделяется в виде молекул водорода только тогда, когда он нужен для реакции. А вот для этой реакции уже нужны катализаторы, о которых мы сегодня много говорили. В том числе и нанокатализаторы. Нужны материалы для электродов, нужны материалы для электролитов, для мембран. Всё это – задача науки. Без науки мы никуда двигаться не можем. Если только назад.