Раствор в огне

В этой заметке читатель познакомится с вечными катализаторами и Александром Мукасьяном, который умеет их делать. Мы номинируем профессора Александра Мукасьяна на премию «Сделано в России» в категории «Наука и технологии»

Химия — удивительная наука, которая неизменно завораживает непосвященных. Благоговейный трепет и вера в чудеса химии ярко выражаются в народных частушках, вроде вот этой:

Ты возьми квасцы, квасцы,
И на них ***, ***.
После выставь на мороз:
Будет медный купорос.

Есть и другие частушки о химии, которые еще менее уместно здесь вспоминать. Но как бы там ни было, даже на примере этого текста можно видеть, как изменилась эта наука за последнее время. В традиционном школьном понимании химия — это смешать какие-то вещества, все молекулы в одну большую кучу, и ждать, когда из них получатся другие вещества (возможно, с грохотом и пламенем). Но природа, в особенности живая, поступает гораздо тоньше. Она берет по одной молекуле, заботливо поворачивает ее так, чтоб ей удобнее было прореагировать, иногда дает ей в долг электроны, изо всех сил помогая процессу. Если говорить скучным языком науки, в живой природе большинство химических реакций протекает с участием катализаторов. Каталитические реакции используются и в химических технологиях, но до точности, с которой работает живая клетка, химикам до недавнего времени было далеко.

Фото: «МИСиС»
Фото: «МИСиС»

А потом появились нанотехнологии. Тот фокус, который в наших клетках делают белки-ферменты — расположить молекулы правильным образом, поднести к ним нужный атом металла, перегруппировать электрический заряд, — можно делать и с помощью неживой материи. При условии, что структура этой материи — детали с характерным размером порядка десятков нанометров — конфигурирована именно так, как нужно.

Это гораздо легче сказать, чем сделать. Как справедливо заметил по другому поводу еще один из наших номинантов на премию «Сделано в России», наноструктуру никак не получится сделать с помощью молотка и долота. Для этого опять нужна химия. И именно этой химией занимается Александр Мукасьян — то в родном МИСиСе, то в университете Нотр-Дам (штат Индиана), профессором которого он является.

Александр Сергеевич и его коллеги по обе стороны Атлантики использовали метод, о котором химики знали и раньше. Он называется «горением раствора» (solution combustion). При этом химическая реакция — собственно горение — распространяется в пористой среде, в которой распределены окислитель и горючее. Волна горения имеет огромную температуру, но распространяется быстро, так что в каждой отдельной точке среды нагрев очень кратковременный. В результате и получается та самая правильная наноструктура — продукт реакции, распределенный по поверхности пористой среды-подложки.

Фото: «МИСиС»
Фото: «МИСиС»

Но при горении, как знают даже школьники, все окисляется. И методом горения раствора логичнее всего получать оксиды, чем все всегда и занимались. Оксиды металлов тоже бывают катализаторами, но почему бы не взглянуть на вещи шире? Александр Мукасьян решил получить таким способом чистый металл, обойдясь безо всякого кислорода.

Окислителем у него работает азотнокислая соль металла, а топливом, к примеру, глицин, обычная аминокислота, которой полно в мясном бульоне или яичнице. А в результате чистый — восстановленный, как выражаются химики, — металл соединяется с материалом подложки, образуя ту самую наноструктуру, которую так хотелось получить.

Фото: «МИСиС»
Фото: «МИСиС»

Эта структура многим хороша. Во-первых, она прекрасно делает свою главную работу — катализирует ту или иную химическую реакцию, в зависимости от того, какие металлы или их комбинации были взяты на входе. А во-вторых, структура эти металлы бережно хранит. Дело в том, что катализаторы обычно работают очень недолго: хоть они и не вступают непосредственно в химическую реакцию, но разные вещества — чаще всего углерод — постепенно замусоривают благородный продукт, закрывая его активные центры и не давая им делать полезное дело. В таких случаях технологи, горестно всплескивая руками, жалуются, что катализатор «отравлен». Но метод, предложенный Александром Мукасьяном и его коллегами, заставляет металл глубоко инкапсулироваться в структуру подложки. Зловредный углерод просто не может до него добраться. Время службы катализатора увеличивается настолько, что впору называть его «вечным». Мы, собственно, так его и назвали. И не только мы, но и сонмы других журналистов, возвестивших миру об этой победе химии и нанотехнологии.

В начале июля Александр Сергеевич Мукасьян примчался в Москву, быстро-быстро рассказал «Снобу» о вечных катализаторах и тотчас же ринулся обратно в Чикаго. Это не потому, что шестидесятилетнему профессору семь верст не крюк: именно так, мечась между континентами, работают очень многие успешные российские ученые. Наше клеймо «Сделано в России» в применении к мукасьяновским катализаторам довольно условное: работа разделилась примерно поровну между Россией и США. Мы спросили у Александра Сергеевича, нравится ли ему такая ситуация и не хочет ли он наконец осесть в своей Индиане — или уж вернуться и больше не рыпаться. Вот что он ответил:

«Я уехал в США в 1995 году, когда эффективно заниматься наукой в стране было невозможно. Конец 90-х и начало 2000-х были не самым благоприятным временем для российской науки. А в США мне были созданы отличные условия для реализации всех моих проектов.

Фото: «МИСиС»
Фото: „МИСиС“

Но вот в 2011 году меня неожиданно пригласили в МИСиС познакомиться с работами молодых ученых. И я увидел людей, у которых опять горят глаза, которые жаждут знаний и готовы учиться. Я понял, что смогу помочь стране восполнить потерю двух поколений ученых. Это без пафоса, это правда. В моем возрасте наиболее эффективный путь реализации себя — делиться своими знаниями с молодыми исследователями. Что я и делаю как в США, так и в России. Это не просто, у меня нет каникул. Но, с другой стороны, вся моя жизнь — каникулы, потому что я отвечаю на вопросы, которые сам себе задаю. Ничего интереснее в жизни просто не может быть».

Это заявление как-то очень в духе нашей премии «Сделано в России», и, что особо ценно, оно подкреплено реальными делами и заметными достижениями. Если вы тоже так считаете, голосуйте за Александра Сергеевича Мукасьяна.