Фундаментальное дело химиков

Декан химического факультета МГУ, академик Валерий Лунин: «В основе всех практических достижений химии – фундаментальные знания».
Фото Владимира Голубева

Высказывание Михаила Васильевича Ломоносова о том, как «широко простирает химия руки свои в дела человеческие», сегодня известно каждому российскому школьнику. Эта тема для великого русского ученого, чье имя носит сегодня первый университет страны, не случайна – Ломоносов в Академии наук был в должности профессора химии. Вероятно поэтому – дабы подчеркнуть важность химической науки – химический факультет, как шутят в МГУ, расположен по правую руку от памятника основателю университета.

Если же говорить серьезно, то химфак Московского государственного университета, будучи одним из наиболее крупных факультетов МГУ, сегодня является ведущим учебным и научным центром: здесь трудится около 1900 штатных сотрудников, в том числе свыше 200 докторов и более 700 кандидатов наук, 12 академиков и 8 членов-корреспондентов РАН. Профессорско-преподавательский состав насчитывает 332 человека, научные штаты – более 900 сотрудников. В настоящее время на факультете учится около 1100 студентов и почти 300 аспирантов.

Недавно химфак праздновал юбилей – три четверти века. А впереди, в конце января – юбилей Alma mater, 250-летие Московского государственного университета. А пока – между двумя юбилеями – есть время немного поговорить и подумать.

═

Слово декана

═

На старте нового тысячелетия нередко приходится слышать суждение о том, что химия сегодня из разряда наук фундаментальных переходит скорее в разряд прикладной, что химические исследования становятся все более нацеленными на конкретный практический интерес. Вопрос о том, действительно ли так обстоит дело в химии, был первым, который мы задали декану химического факультета МГУ академику Валерию Васильевичу Лунину.

– Разумеется, это не так! Более того, я глубоко убежден, что именно в течение ХХ столетия химия сформировалась как фундаментальная наука. Если в XIX веке (вплоть до первых десятилетий ХХ) химия была в большой мере эмпирической, то в ушедшем столетии благодаря прежде всего таким революционным достижениям естествознания, как открытие строения атома, развитие квантово-механических представлений, широкое применение физических методов в исследованиях химическая наука встала на прочные фундаментальные основы. Примером может служить тот же Периодический закон: из некоего обобщения эмпирических закономерностей он превратился в один из основных законов естествознания и позволил синтезировать целый ряд новых, доселе не существовавших элементов, а также сделать определенные прогнозы насчет существования стабильного семейства в области элементов с номерами после 114-го.

Если же вспомнить работы ученых, ставших нобелевскими лауреатами в последнее десятилетие, то мы увидим, что основная масса премированных работ по физиологии и медицине глубоко химичны по своей сути и по подходу к исследованиям (характер работ, применяемые методы, интерпретация результатов и пр.). Что это, если не признание фундаментальных достижений химической науки?

Одна из новых областей фундаментальной химии, создание и развитие которой совсем недавно было отмечено нобелевской наградой (Жан-Мари Лен, 1987 год), – супрамолекулярная химия – сегодня активно развивается и на химическом факультете: на днях Ученый совет МГУ присудил Ломоносовскую премию профессору нашего факультета, заведующему кафедрой химии нефти и органического катализа Караханову за работу «Использование супрамолекулярных комплексов в катализе». Эти системы позволяют с высоким выходом и удивительной селективностью (близкой к 100%) проводить каталитические синтезы химических веществ; очень важно, что побочных продуктов при этом практически не образуется, то есть не нужно проводить разделение и очистку. А если сюда добавить, что среди промышленных химических процессов каталитические составляют около 98%, то важность подобных исследований не нуждается в комментариях.

Еще один пример нового подхода к фундаментальным проблемам – использование информационных технологий (ИТ) в научных исследованиях. Можно заложить в компьютер накопленные наукой данные о структуре и свойствах веществ (например, душистых компонентах парфюмерных композиций и их запахах) и, обработав их, далее на этой основе прогнозировать не только возможный аромат новой химической структуры, но и предлагать варианты веществ для получения того или иного компонента с заданным запахом, а также способы их синтеза. И это действительно принципиально новый подход к поиску веществ с заданными свойствами – будь то парфюмерные добавки, новые красители или лекарства.

═

– Но, видимо, такие исследования сегодня – дело единичное, удел отдельных ученых?

═

– Вовсе нет, мы не стремимся создавать элитарную или малодоступную науку, мы стараемся все наши достижения сразу вплетать в учебный процесс. Поэтому несколько лет назад у нас на факультете была открыта новая специализация – медицинская химия. Это область, позволяющая очень тонко влиять на свойства лекарственных препаратов, их физиологическую активность в заданном направлении (для того чтобы при лечении воздействовать на строго определенные, больные участки организма, не подвергая риску остальные органы). Однако такое «конструирование лекарств» основано на фундаментальных знаниях о соотношениях «состав-структура-свойство».

Еще один пример новейших достижений – фуллерены, впервые обнаруженные в 1985 году. Работы по их изучению были удостоены Нобелевской премии в 1996-м. Известные каждому школьнику аллотропные модификации углерода (алмаз и графит) пополнились еще одной – здесь атомы углерода (числом в 60) связаны в структуры в виде «шарообразных» усеченных икосаэдров (возможны «молекулы» с другим количеством атомов углерода – 70 и т.д.).

Разнообразие и богатство пространственных структур этих веществ создает огромную область химии с интереснейшими проблемами фазовых переходов, замещений, легирования и т.д.

═

– Что еще из новых достижений университетских химиков вы могли бы упомянуть?

═

– Не могу не сказать об одном интереснейшем направлении с колоссальными перспективами – это изучение химических процессов в сверхкритических средах. В качестве таковых используются вода или углекислота в сверхкритическом состоянии, то есть при температурах и давлениях выше критических значений.

В этих условиях вода и углекислый газ приобретают особые свойства, они могут использоваться как окислители (вода) или как хорошие растворители для синтеза (углекислый газ). Однако при этом обладают тем огромным преимуществом, что они абсолютно экологичны, как сейчас говорят. То есть когда сверхкритические условия снимаются, эти растворители превращаются в обычную воду и углекислый газ – совершенно безвредные вещества. При этом продукт синтеза получается очень чистым – его не надо отделять от растворителя (обычно в качестве растворителей используются спирты, эфиры и прочая органика).

В настоящее время формируется научно-техническая программа по сверхкритическим технологиям, которая открывает путь к совершенно новым технологическим процессам – процессам будущего. Это очень перспективное направление, и в ближайшие месяцы на факультете будет открыта еще одна (новая) специализация для обучения студентов.

Но в основе всех этих результатов лежат фундаментальные знания. Очень хорошо сказал Михаил Васильевич Ломоносов более двух с половиной веков назад, при открытии первой в России химической лаборатории (1748): «Изучение химии имеет двоякую цель: одна – усовершенствование естественных наук, другая – умножение жизненных благ». Мне кажется, о предназначении нашей науки лучше и не скажешь.

═

Фундаментальный анализ

═

С того же вопроса – не превратилась ли химия в чисто практическое приложение – начался разговор и с заведующим кафедрой аналитической химии химфака МГУ, академиком Юрием Александровичем Золотовым.

– Нет сомнения, что химия как была фундаментальной наукой, так и осталась, а практические приложения ее результатов просто более известны обществу – наверное, отсюда и такие предположения. За примерами не нужно далеко ходить – на нашем факультете делается немало работ такого характера. Взять хотя бы высокотемпературную сверхпроводимость, на химфаке ею занимаются в основном на кафедре неорганической химии.

Здесь ищут не только конкретные соединения, которые проявляют такие свойства (которые могут оказаться практически полезными), но и занимаются поиском общих подходов, изучая структуры соединений, подыскивая новые способы синтеза, пытаясь определить закономерности, которые могут привести к получению таких веществ.

Другой пример – из области высокомолекулярных соединений. Вот появились полимеры с высокой электропроводностью – значит, надо исследовать, от чего зависит наличие и величина данного свойства.

И даже в аналитической химии, которая, как известно, ближе к практике, чем многие другие области химии, тоже имеются направления, которые следует отнести к фундаментальным. Скажем, аналитики ищут пути использования наночастиц для формирования химических сенсоров. Один из вариантов: на наночастицы золота наносится реагент, который в этом случае проявляет люминесцентные свойства, намного более выраженные, чем в обычных условиях. До практического применения здесь может быть далеко, но интересны пути получения таких комплексов и закономерности их функционирования.

Вообще химические сенсоры – весьма важное направление, связанное не только с нанотехнологиями. Очень серьезные работы ведутся здесь на стыке аналитической химии и биохимии: это создание биосенсоров, которые предполагают использование иммобилизованных (закрепленных) ферментов или иммунохимических реакций (типа антиген-антитело). И предварять такие исследования должны фундаментальные работы по биохимии, иммунохимии и энзимологии.

Так что тезис о том, что фундаментальная составляющая в химии убывает, на мой взгляд, не может быть поддержан.

═

– Какие из направлений химической науки последних лет близки к «прорывам»?

═

– Да вот хотя бы уже упоминавшиеся нанотехнологии и наноматериалы. Правда, вокруг них немало излишней шумихи – ведь коллоидная химия на протяжении многих десятилетий занималась и занимается как раз изучением частиц наноразмеров, и уже давно известно, что такие частицы обладают уникальными свойствами, промежуточными между свойствами вещества в конденсированной фазе и поведением атомов и молекул. Но ряд свойств, проявляемых такими объектами, был обнаружен впервые лишь недавно, и главным образом это связано с созданием новых материалов. Наночастицы можно применять и для транспорта лекарств, да и сами лекарства, раздробленные до наноразмерных частиц, порой существенно превосходят традиционные аналоги по эффективности.

Еще одно направление – создание новых топлив. Ведутся работы по диметиловому эфиру; идут разработки водородного топлива.

Разумеется, наиболее быстрорастущее направление находится на стыке химии и биологии. Некоторые примеры приводились выше; еще один пласт интересных работ – моделирование природных процессов в искусственных условиях, обещающее (в случае успеха) существенное преобразование многих отраслей промышленности.

═

– Юрий Александрович, а нет ли здесь противоречия: начав с утверждения фундаментального характера химической науки, мы незаметно переместились к обсуждению ее выходов в практику?

═

– Я думаю, что противоречия нет. Ведь только в результате серьезных, фундаментальных исследований могут появиться практические приложения – будь то новый материал, технологический процесс или полезный продукт. Никакая практическая задача не может быть рационально сформулирована без серьезного предварительного исследования, тем более не может быть решена. И именно поэтому, как я считаю, фундаментальные науки следует развивать широким фронтом. А модное ныне выражение «приоритетные направления», которое частенько употребляют в связи с фундаментальными научными исследованиями, к ним никак не применимо, оно из словаря «прикладников».

Ну подумайте, как можно определить, что является более важным, а что менее, если процесс или вещество еще не изучены, не выяснены сопутствующие им свойства и закономерности? Разве можно было в 20–30-х годах, на заре изучения химии урана, предугадать, что она через 15–20 лет станет «приоритетным направлением»? Именно поэтому поисковые работы не должны замыкаться в утвержденных сверху границах.

Кстати, все сказанное в полной мере относится и к химическому факультету МГУ – проводимые здесь исследования в большинстве своем имеют именно фундаментальный характер.

═

– Какие из них вы могли бы отметить?

═

– Например, исследования, ведущиеся на кафедре органической химии под руководством академика Зефирова. Здесь изучается корреляция между структурой и физиологической активностью (с привлечением математических методов и ИТ) – работы, позволяющие, не перебирая соединения на опыте («в пробирке»), «на кончике пера» вычислить те, что имеют нужную биологическую активность, сузив таким образом круг поисков от сотен или тысяч веществ до одного или нескольких.

У нас на кафедре аналитической химии исследуются возможности обнаружения рака (в том числе на ранних стадиях) посредством определения наличия и количества веществ-маркеров (например, в моче или выдыхаемом воздухе). Кстати, анализ выдыхаемого воздуха может помочь определить по наличию тех или иных веществ-маркеров помимо онкологических, такие заболевания, как туберкулез, диабет и другие. Для этого используются современные методы (например, разные виды хроматографии, хромато-масс-спектрометрия) и сложнейшие аналитические приборы. Эти исследования интересны и с теоретической точки зрения – мы ищем подходы и разрабатываем методы, помогающие определять сверхмалые количества веществ; а практическая направленность этих работ не нуждается в комментариях.