«Полимеры — это то, что нас окружает»

08 августа 2008 г.

Андрей Солдатов

Академик РАН Алексей Хохлов рассказал «Акадо», как можно достичь успеха, занимаясь наукой в России. А заодно о том, насколько в жизнь простого человека проникли полимеры.

Видео (7.4 Мб, 2 минуты): Андрей Солдатов, Артур Глушков/Акадо. С использованием материалов ИНЭОС РАН.

Государственную премию Российской Федерации в области науки и технологии за 2007 год академик Хохлов получил за «фундаментальные научные исследования в области науки о полимерах».

«Наука о полимерах — очень важная область знания. Полимеры — это многое из того, что нас окружает: пластмассы, резины, волокна, древесина, бумага. Создавая новые полимерные материалы, можно улучшать качество жизни. А сделать можно очень многое: мы знаем, что в природе на основе высокомолекулярных соединений «работают» очень сложные, многофункциональные, экономичные системы, и мы знаем, что многие решения реализованы в природе».

Группы Хохлова занимаются исследованиями в области физики полимеров: «Химия занимается в основном синтезом, получением полимеров, а физика занимается исследованиями свойств уже синтезированных полимеров». Исследования ведутся по двум направлениям: фундаментальные (чисто научные задачи) и коммерческие разработки прикладного характера.

Большая часть фундаментальных исследований группы сосредоточена в области теории образования пространственных структур макромолекулами. «Мы довольно много занимались вопросами, связанными со структурой полиэлектролитов (молекул, которые несут заряд на полимерной цепочке, также в системе содержатся низкомолекулярные противоионы). В этом случае наблюдаются интересные эффекты, связанные с конкуренцией кулоновского отталкивания и некулоновского притяжения. Так, в ряде случаев было показано сжатие полимерной цепочки при увеличении заряда. Противоионы начинают конденсироваться, и происходит сильное сжатие полимерной цепи».

Одним из самых интересных направлений фундаментальной деятельности стало изучение информационной наполненности полимеров. «В природе молекула ДНК хранит очень сложную информацию, в ее четырехбуквенном алфавите заложен геном человека. Возникает вопрос: как подобное явление могло возникнуть в ходе молекулярной эволюции, ведь в ходе обычных реакций сополимеризации образуются случайные полимеры, которые не несут никакой информации? Если возникают случайные мутации, то случайной последовательность от этого быть не перестает. Строго предопределенная последовательность тоже не несет никакой информации. При помощи компьютерного моделирования и проведения экспериментов в специальных условиях было показано, что при полимеризации с одновременным образованием пространственных структур образуются информационно наполненные макромолекулы, например такие, распределение звеньев в которых характеризуется статистикой Леви».

Вместе с различными компаниями физики работают над новыми полимерными материалами. В основном над «умными» полимерами.

«До начала 80—х годов XX века разработки в данной области шли по направлению создания конструкционных материалов с необходимыми свойствами (резины, пластмассы). После этого начались разработки функциональных полимеров (электропроводящих, обладающих способностью впитывать, например, воду). Сейчас нам интереснее всего «умные» полимерные системы, изменяющие свою функцию в зависимости от условий». Например, такие, которые при закачке их в нефтяную скважину «автоматически» блокируют водяные пласты, а нефть спокойно выходит на поверхность. Принцип действия подобной системы очень прост: в нефтяную скважину в нужном соотношении закачиваются два типа соединений. Первый — гелеобразующий компонент, который ассоциирует в полярной (водной) среде, образуя гели с высокой вязкостью. Второй — вещество, которое замедляет гелеобразование — ингибитор, растворимый в воде, но не растворимый в нефти. При контакте с водными пластами ингибитор растворяется, инициируя таким способом образование вязкой полимерной пробки, блокирующей выход воды из скважины. Там, где воды нет, ингибитор не растворяется, и нефть без существенных затруднений выходит на поверхность.

Подобные системы позволяют экономить миллиарды долларов на отделении и регенерации воды (сейчас в мире на 1 тонну нефти добывается 3 тонны воды).

Еще одно, довольно интересное направление деятельности — использование сверхкритических флюидов в химии полимеров. «Это очень важная тема в использовании полимеров. Чтобы их перерабатывать, нужны экологически чистые растворители. Есть водорастворимые полимеры, для которых экологически чистым растворителем является вода. Но таких полимеров довольно мало». А в сверхкритическом диоксиде углерода растворяются в том числе и фторсодержащие полимеры, которые трудно растворимы даже в экологически «вредных» органических растворителях. Также в сверхкритических условиях происходит механическое включение соединений в полимерную матрицу. «Таким способом были созданы пластики, которые обладают повышенной устойчивостью к износу. Другая возможность — это импрегнировать (включать) соединения, которые повышают биосовместимость — эти материалы используются для эндопротезов суставов. Разработка совместно с ЦИТО находится на стадии клинических испытаний».

Следующее важное направление — создание мембран для топливных элементов. «Между катодом и анодом должна находиться мембрана, которая, с одной стороны, должна проводить протоны. С другой стороны — не пропускать газы (водород и кислород). Создание оптимальной мембраны — достаточно сложная задача. Мы занимаемся созданием мембран, работающих в температурном интервале 150—200°С. Преимущество проведения реакции при такой температуре — повышенная эффективность процессов. И, кроме того, при таких температурах катализатор менее подвержен отравлению (снижению своей активности) за счет необратимого захвата угарного газа. С другой стороны, при этом возникает необходимость в термостойких полимерах».

С долей юмора Алексей Ремович рассказал и о секретах успешного функционирования большой научной группы.

«Лаборатория должна быть укомплектована людьми разных возрастов, которые обладают разным уровнем опыта и разным уровнем энергии, соответственно. Основного успеха достигают лаборатории, где работают специалисты разного профиля». При этом основным фактором успешной работы человека является нацеленность на результат. «Существует мнение об ученых, как об абстрагированных от мира людях, которые все время думают. Иногда это полезно, но этим нельзя ограничиваться. Очень важна ответственность человека за то, что он делает».

К необходимости контактировать с выдающими гранты и коммерческими организациями Хохлов относится достаточно спокойно: «Без этого невозможно заниматься наукой; чтобы молодые люди могли беспрепятственно заниматься наукой и беспрепятственно тратить свою нерастраченную энергию на решение научных задач, люди старшего поколения должны все это организовать». Зато удается удерживать и молодых специалистов. «Они получают достаточно хорошую заработную плату, они понимают значение опыта, который приобретают. Ну и, кроме того, они чувствуют, что здесь у них возможность карьерного роста больше, чем за рубежом. Только так кажется, что за рубежом все хорошо. Особенно так кажется молодым. А на самом деле существует проблема искусственного продления аспирантуры в том случае, если человек хорошо работает — профессору нет смысла форсировать ее окончание. Существует проблема и поиска работы после защиты, приходится часто переезжать с места на место. Конечно, некоторые люди уезжают. Но и задачи удержать всех у нас нет».

Поделился академик Хохлов и своим видением будущего науки. «В ближайшее время человечество столкнется с нехваткой ресурсов в повседневной жизни. Наука отойдет от работы по масштабным энергоемким проектам и будет нацелена на задачи, связанные с экономией ресурсов».