Властелины бензольных колец

Сознание ученых устроено так, что если они обращают внимание на какую-то вещь, то обязательно найдут способ ее усовершенствовать. С помощью науки, конечно. Даже если эта вещь совсем обыденная, примелькавшаяся.

Например, Анатолий Мирочник, доктор химических наук, заведующий лабораторией светотрансформирующих материалов Института химии ДВО РАН, знает, как улучшить дорожные знаки и разметку – сделать так, чтобы они светились ночью. Или как сделать секретную маркировку ценных бумаг со многими степенями защиты. И многое другое.

В этом году Институт химии ДВО РАН отмечает 45-летие, и корреспондент «В» поговорил с Анатолием Григорьевичем о «многом другом»: о внедрении научных разработок в производство, о популярных и перспективных исследованиях и о том, как эта сложная наука может прийти на помощь человеку.

Красный свет для растений

Чем занимается лаборатория светотрансформирующих материалов, становится ясно уже из ее названия: созданием функциональных материалов, которые связаны с преобразованием света. Началось все в 80-х годах прошлого века с прикладного направления – разработки полимерной пленки для теплиц, парников, оранжерей.

– Мы синтезировали специальные вещества – люминофоры, которые под действием ультрафиолета дают яркое красное свечение, – рассазывает Анатолий Мирочник. – Проект с пленкой, с которого в начале 1980-х стартовала деятельность лаборатории под руководством профессора Владимира Карасева, дал впечатляющий результат.

Почему растения имеют зеленый цвет? Потому что они зеленый свет отражают, но поглощают синий и красный цвета солнечного излучения. Причем в основном красный. Практически весь процесс фотосинтеза связан с поглощением красного света и процессом фотосинтеза в хлорофилле. В теплицах обычно применялись простые полиэтиленовые пленки, задачей которых было поддерживать внутри необходимую температуру. Мы же добавили в пленку специальные люминофоры, которые давали мощную добавку красного цвета. Проводили испытания в тепличных хозяйствах Китая, России, в частности, на Тимирязевской станции под Уссурийском. Результаты оказались хорошими: урожайность овощей в парниках увеличивалась до 20–50 процентов.

Датчики в воздухе

Серьезной проблемой всей отечественной науки можно назвать длинный путь от появления разработок до их внедрения в производство. Отсутствует профессиональная прослойка между лабораториями, в которых создаются изобретения, и бизнес-средой, которой эти изобретения могли бы принести пользу. Сами же ученые в коммерции не подкованы: законы физики, химии, биологи и законы рынка – абсолютно разные сферы деятельности.

– Во всем мире этот путь сокращается, потому что в науку привлекаются люди, знающие запросы бизнеса, правила рынка, которые как раз нацелены на получение и внедрение разработок, – замечает Анатолий Григорьевич. – Впечатляет Китай. В 90-е годы научные публикации представителей Поднебесной были редки и казались вторичными. Сегодня авторы почти трети всех публикаций в научных журналах – китайцы. И их уровень серьезно возрос.

Следует отметить, что отечественная наука не отстает. В лабораториях Института химии установлено современнейшее оборудование, которое позволяет проводить удивительные по сложности эксперименты. Растет и объем задач, стоящих перед учеными.

– Последние пять лет мы занимаемся сенсорными материалами. Где их можно применять? Например, для быстрого определения и идентификации вредных газов в атмосфере, – объясняет ученый. – Задача особенно актуальна для больших городов и населенных пунктов, в которых расположены опасные производства. Если говорить конкретно о мегаполисах, то экологическая ситуация там по определению не самая лучшая. Большой город – большое количество транспортных средств, сжигающих бензин и другие виды топлива. При их сжигании в атмосферу выбрасываются бензол, ксилол, толуол, прочие вредные соединения. Благодаря созданию материалов-датчиков, основанных на хемосенсорике, можно оперативно и практически сиюминутно зафиксировать превышение допустимого количества загрязняющих веществ.

Здесь как раз прослеживается связь чистой фундаментальной и прикладной наук. О чем речь? Люминофор способен обнаружить мельчайшие частицы вещества в воздухе. Поэтому, кстати, люминесцентный метод так популярен в криминалистике. Органические материалы, будь то кровь или наркотические средства, обладают четким и различимым, как отпечатки пальцев, свечением. Главная цель – синтезировать приборы-датчики, которые бы фиксировали его наличие.

– Нам удалось создать комплексные соединения бора и редкоземельных элементов, которые как раз выполняют данную функцию, – рассказывает Анатолий Мирочник. – Пожалуй, один из лучших датчиков – это трехвалентный европий. При возбуждении он излучает яркий красный свет. Его, кстати, используют в телевизорах. В лаборатории мы создали соединения европия, которые очень четко реагируют на определенные газы, в частности, на аммиак, амины.

Получить оптический отклик на аммиак удалось благодаря внедрению в молекулу европия молекулы воды. Дело в том, что вода гасит его излучение, делает его практически невидимым. Но только до той поры, пока к «ослабевшему» европию не приблизится молекула аммиака. В этот момент влияние воды исчезает и европий вспыхивает. Его люминесценция увеличивается в 50 раз, что регистрируется специальными приборами. Это и есть так называемый оптический отклик. Причем отклик селективный, то есть взаимодействие идет только с аммиаком. Фактически мы получили сенсорную молекулу на данный газ.

Сверкающие кристаллы

– Комплексные соединения бора еще интереснее, – продолжает рассказ ученый. – В них есть люминесцирующая хромофорная группировка, а вокруг – фенильные кольца. Они реагируют на вредные газы в бензине: бензол, ксилол, толуол. Хитрость в том, что молекулы этих газов также обладают кольцами – шестиугольными бензольными. Когда молекула бензола подходит к молекуле люминофора, фенильные группировки спариваются с бензольными и при фотовозбуждении создают совершенно уникальную люминесценцию. Получается датчик на бензол, ксилол, толуол.

По словам Анатолия Мирочника, у оптической хемосенсорики большие перспективы и в медицине. Известно, что при различных заболеваниях в дыхании человека концентрация газов-метаболитов увеличивается в сотни и тысячи раз. Например, у раковых больных концентрация ацетона в дыхании на порядок выше, чем у здорового человека. Внедрение сенсорных систем позволит выявлять онкологические заболевания на ранних стадиях, даст четкий сигнал о необходимости серьезной медицинской диагностики.

Еще одно интересное направление – диагностика оборудования в стратегически важных объектах: космических кораблях и субмаринах. Проблема в том, что в замкнутых пространствах с течением времени образуется плесень. Это характерно даже для космоса. Она начинает поедать и разрушать системы жизнеобеспечения этих объектов. Ранняя диагностика таких повреждений позволяет предотвратить катастрофу.

Вообще же, область применения сенсорных систем гораздо шире.

– Есть различные кристаллы, которые при механическом воздействии – надавливании или раскатывании – дают эмиссию – выделяют свет, – поясняет Анатолий Григорьевич. – Одним из первых это явление описал философ Фрэнсис Бэкон. В темноте тюремной камеры (в свое время он обвинялся в крупной государственной растрате) философ колол кусковой сахар и обнаружил в нем красивое голубое свечение. При механическом воздействии возникал электрический разряд, который и вызывал данный эффект. Как его использовать? Сейчас в этом направлении ведутся серьезные научные исследования, создаются композиции из микрокристаллов – «искусственная кожа», которой можно покрыть критические объекты: крыло самолета, мосты, дамбы и так далее. И этот материал фиксирует деструкцию объекта сиюминутно, в режиме реального времени. Обычно же для дефектоскопии деталь нужно снять, отвезти в лабораторию, затратить массу времени и средств. А если речь идет о топливных баках космических кораблей? Уже сейчас в НАСА активно ведутся разработки «искусственной кожи».

В нашей лаборатории также сумели синтезировать триболюминофоры – светотрансформирующие вещества, которые при механическом воздействии дают четкий люминесцентный сигнал.

Против закона Стокса есть приемы

В любой научной деятельности важны не только успешные опыты и открытия, но и неудачи. Серьезные достижения не добываются за день. Путь к ним долог и непрост. Специалистам лаборатории светотрансформирующих материалов пока не удалось победить закон Стокса. В принципе, этот закон созвучен закону сохранения энергии, и в случае с люминесценцией он гласит, что энергия испускаемого света меньше поглощаемого: часть световой энергии всегда идет на нагрев объекта.

– Казалось бы, всегда идут потери на тепловые процессы. Однако в мире уже существуют разработки антистоксовых материалов. Речь идет об обратном закону Стокса процессе: при возбуждении объекта мягким инфракрасным светом он дает жесткое, видимое глазу свечение, – поясняет доктор Мирочник. – Эти разработки уже применяются в военной технике, в приборах ночного видения. Как это работает? Объекты, которые нагреты чуть выше окружающей среды, излучают «тепловые» фотоны в инфракрасном спектре. Эти фотоны попадают на стекла бинокля, в которые добавлены редкоземельные элементы, и вызывается антистоксово свечение, которое превращает невидимое тепловое излучение в видимое.

Антистоксовые соединения, как правило, неорганические. У нас была попытка получить подобные виды покрытий с органическими соединениями. Область их применения велика. Взять, к примеру, электрическую лампу: 90 процентов потребляемой ею энергии тратится на тепловой эффект, на нагрев, который нам не нужен. Если создать покрытие, которое преобразует тепловое излучение в холодное свечение, то экономия будет очень весомой. Сейчас мы продолжаем исследования в этом направлении. А автономные осветители – то есть источники света постоянного действия, без внешнего питания, без батарей, которые гарантированно дают свет, скажем, в течение 10 лет? Фантастика? Отнюдь нет. Задачи сложные, но они стоят и времени, и сил.

Автор: Сергей ПЕТРАЧКОВ