Наука на языке пламени

30 мая в России отметили День химика. Еще несколько лет назад это был узкопрофессиональный праздник работников химической промышленности и специалистов профильных научных институтов. Но сегодня химия пришла практически во все естественно-научные направления. В последний день мая состоялся пресс-тур в Институт химической кинетики и горения СО РАН.

ИХКиГ СО РАН организовали в 1957 году по инициативе единственного Нобелевского лауреата по химии в нашей стране – академика Николая Семёнова, основателя Института химической физики в Москве. Директор Института химической кинетики и горения д.ф.-м.н. Сергей Дзюба рассказал, что сегодня большая часть сотрудников – физики. Они исследуют химические, биологические и другие процессы физическими методами. Из подробных знаний физических процессов здесь «вырастают» вполне конкретные прикладные разработки, иллюстрируя тезис о том, что нет ничего практичнее хорошей теории. Например, с помощью расчетов и моделирования методами квантовой химии молодой кандидат наук Виталий Киселев показал, как взаимодействуют компоненты ракетных топлив в процессе их хранения и горения.

Химической физике как научному направлению посвящены десятки журналов, в которых регулярно появляются публикации сотрудников ИХКиГ СО РАН, в частности, о спектроскопии магнитного резонанса – методе, широко используемом современной медициной (томография). «ОКОЛЬЦОВАННЫЕ» МОЛЕКУЛЫ

В Институте химической кинетики и горения был впервые в мире разработан уникальный подход в исследовании молекулярных взаимодействий – спиновая химия. Сегодня он применяется для изучения влияния магнитного поля на химические и биологические процессы в живом организме. Через мощные микроскопы можно увидеть молекулы и атомы, но отследить их взаимодействие из-за быстроты происходящих процессов невозможно. Биологические молекулы со специальными спиновыми метками, которые вводятся в вещество, позволяют это делать. Спиновая метка – свободный радикал, имеющий в своем составе неспаренный электрон. Она «пришивается» к участку молекулы и дает возможность следить за ее поведением. Спектрометр немецкой компании Bruker в лаборатории химии и физики свободных радикалов ИХКиГ СО РАН позволяет подробно отследить все процессы. Примечательно, что при изготовлении этого прибора стоимостью почти миллион евро были реализованы важные наработки сотрудников института. А сегодня с его помощью здесь исследуют действие пептидов – нового класса перспективных антибиотиков, не вызывающих привыкания организма. Этой темой сейчас занимаются десятки лабораторий мира. В спектрометр помещается пробирка с клеточными мембранами и действующее вещество с введенными в него спин-мечеными молекулами. Таким же образом здесь исследуют действие холестерина. О вреде его избытка известно, но не секрет, что он необходим для многих жизненно важных процессов. Почему он начинает вредить здоровью человека, можно узнать только при детальном изучении всех молекулярных взаимодействий.

ОДИН ДИАГНОЗ В СЕКУНДУ

Лаборатория цитометрии и биокинетики ИХКиГ СО РАН под руководством д.ф.-м.н. профессора Валерия Мальцева анализирует биологические объекты и процессы. Здесь создана программа, предсказывающая влияние облучения на клетки, которой сегодня пользуются все биохимические лаборатории мира, а также разработан и изготовлен уникальный прибор, который сами создатели по аналогии со всемирно известным проектом в ЦЕРНе называют биологическим адронным коллайдером. Это цитометр BioUniScan, позволяющий исследовать состав любых биологических жидкостей, например, крови – наиболее часто используемого в медицине предмета анализов. В отличие от стандартных измерителей он позволяет с высокой точностью определить и описать за миллисекунду каждую клетку крови (500-1000 клеток в секунду), включая параметры, не учитываемые в обычных анализах с применением микроскопов. С внедрением этого прибора у медиков появится уникальный инструмент для диагностики целого ряда заболеваний, которые сегодня устанавливаются косвенными методами.

Высокая чувствительность цитометра дает возможность зарегистрировать патологии на ранней стадии заболевания, когда лечение проще и безопаснее для пациента, а при использовании для общих анализов крови система еще и позволяет заметно снизить стоимость услуги. По сути, созданный в ИХКиГ прибор – это универсальная платформа для изготовления анализатора с несколькими функциями: выявление бактериологических инфекций, изучение специфичности антибиотиков, наблюдение иммунного ответа организма на внешние инфекции, массовые обследования населения и многих других целей. В каждом конкретном случае требуется лишь надлежащим образом «укомплектовать» разработанную систему, установив нужный тип лазера или другого сопутствующего оборудования.

Фундаментальные исследования по изучению процессов в клетках и стабильности генома человека лаборатория проводит в сотрудничестве с Новосибирским Институтом клинической иммунологии и Институтом биофизики в Чехословакии. За работу по созданию методики изучения оптических и кинетических свойств клеток крови на цитометре BioUniScan аспирант НГУ Дарья Орлова получила золотую медаль РАН. В числе четверых молодых ученых Сибирского отделения, награжденных такими же медалями, еще два сотрудника ИХКиГ СО РАН – аспирант Антон Лончаков и магистрант Александра Трушина.

УПРАВЛЕНИЕ ОГНЕМ

Доктор ф.-м.н. Олег Коробейничев, многие годы возглавлявший лабораторию кинетики процессов горения, продемонстрировал гостям единственную в России масс-спектрометрическую установку для изучения структуры пламени. Ученик Олега Павловича к.ф.-м.н. Денис Князьков показал, как в синее пламя горелки опускается кварцевый зонд с отверстием толщиной примерно с человеческий волос и через него частицы пламени, время жизни которых составляет микросекунды, поступают в вакуумную установку. Параметры частиц мгновенно записываются и передаются на компьютер. Затем ученые сравнивают выстроенную ими оптимальную модель горения с данными эксперимента, смотрят, какие параметры совпали, а какие требуют доработки, и таким образом пытаются подобрать способ «управлять огнем».

– На масс-спектрометре изучают «интимные» процессы в пламени с участием атомов и свободных радикалов, – объяснил Коробейничев, – что позволяет находить лучший метод сжигания любого вещества, чтобы повысить КПД ТЭЦ или двигателей, минимизировать образование сажи, обеспечить экологическую безопасность продуктов горения. Умело «управляя огнем», ученые разрабатывают технологии пожаро- и взрывобезопасности, способы повышения эффективности различных видов топлива, а также изобретают составы для пожаротушения. Здесь разработан эффективный фосфорсодержащий пламегаситель, не разрушающий озоновый слой атмосферы, который запатентован совместно с МЧС РФ. Впрочем, в пламени можно производить не только энергию, но и материалы. Так, созданная совместно с Институтом неорганической химии СО РАН одноступенчатая технология получения диоксида титана для производства газовых сенсоров и фотоэлементов солнечных батарей оказалась дешевле и эффективнее применяемых сегодня пленок из поликристаллического кремния. Получать пленки диоксида титана для этих целей в мире уже пытались, но многоступенчатые методики приводили к удорожанию технологии и снижали качество полученного материала из-за использования углеводородного топлива. В ИХКиГ СО РАН для этого используют чистое водородное топливо. Полученные результаты будут представлены на международном симпозиуме по горению в Пекине. Мария ШКОЛЬНИК На снимке Д. Строкотов, В. Мальцев и Д. Орлова -----------------------