«Науку можно делать только вместе»

19 марта отмечает день рождения академик Андрей Борисович Ярославцев, заведующий базовой кафедрой неорганической химии и материаловедения Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН. О протонах, мембранах и других направлениях, которыми он занимается, юбиляр рассказал «Вышке для своих».

Про гвозди, проводимость в твердых телах и протон-пролетарий

Ученые иногда в шутку говорят, что они удовлетворяют свое любопытство за государственный счет. На самом деле мы полагаем, что так о нас думают другие люди, которые далеки от науки. Но мне кажется, что подавляющая часть населения знает, что это совсем не так. Когда-то меня в этом убедил мой сын. Когда мы начинаем изучать химию, нас в первую очередь обычно привлекает ее красота. Мы с интересом разглядываем пробирки, стаканчики и колбочки, содержимое которых при смешивании меняет цвет, или выпадает в осадок, или начинает выделять газ... Меня самого на первом этапе химия увлекла не только задачами, но и такими эффектами. Впервые привезя четырехлетнего сына на елку в МГУ, я, конечно же, захотел познакомить его именно с такой красивой и впечатляющей химией. Усадив сына на стульчик, я устроил для него маленькое шоу, показывая изменяющие цвет красивые растворы. На вопрос, понравилось ли ему, он ответил: «Да. А теперь расскажи, где ты работаешь?» Я сказал: «Здесь». «А что ты делаешь?» — спросил он. Я ответил: «Я же тебе только что показывал». Тогда он посмотрел на меня недоверчиво: «Опять ты шутишь». И добавил: «Работа — это там, где гвозди забивают».

Я действительно часто шучу, но мой сын, безусловно, был прав. В реальности я делал не совсем то, что ему показывал. В то время я занимался исследованием твердых тел. Точнее, синтезировал такие соединения, в которых есть внутренняя подвижность каких-то группировок. Почему мы называем твердые тела твердыми? Потому что они практически не поддаются деформации даже при приложении усилия. Фактически это определяется тем, что в твердых телах все атомы располагаются на своих местах, и для того, чтобы их сдвинуть, нужно затратить большую энергию. Для деформации твердого тела мы должны переместить атомы в уже занятые позиции, что невозможно из-за крайне низкой сжимаемости, и поместить два атома в позицию одного даже на короткое время нереально. И все же в твердых телах тоже есть подвижность, которая осуществляется через дефекты, чаще через вакансии — позиции, в которых отсутствуют атомы. В обычных твердых телах их очень мало, и потому их так тяжело деформировать. Но в некоторых твердых веществах перемещения протекают довольно быстро, и за ними можно наблюдать с помощью специальных приборов.

Когда я начал научную работу в университете, мне порекомендовали заняться ядерным магнитным резонансом. Сейчас это очень известный и продвинутый, скорее аналитический метод, а тогда все только начиналось, и он был совсем другим. Именно с его помощью мы исследовали внутреннюю подвижность в твердых веществах. Удобнее всего ее было наблюдать на примере протонов, которые дают самый сильный отклик в ядерном магнитном резонансе. Потом я решил, что нужен альтернативный подход, который бы позволял количественно характеризовать движение протонов. Таким методом стало измерение протонной проводимости.

© Высшая школа экономики

Вообще, протонную проводимость открыли еще до моего появления в науке. В работах первых исследователей, мне кажется, можно было заметить некую эйфорию. Они полагали, что, изучая и совершенствуя твердые электролиты, в скором времени можно добиться такого же быстрого переноса протонов, как и электронов, во многих металлах (эти проводники повсеместно используются в энергоснабжении и сейчас). Предпосылки казались очевидными. Подвижность атомов ограничивается именно их размером — им трудно перемещаться через слишком маленькие пустоты между другими атомами. А протон, как и электрон, является элементарной частицей с крайне малым размером. Поэтому логично было предположить, что именно его так же, как электрон, можно заставить быстро перемещаться, по крайней мере в некоторых твердых веществах. К сожалению, эти ожидания не оправдались. Все, что нас окружает, состоит из молекул, а те, в свою очередь, из атомов, которые состоят из ядер, окруженных электронами. И размер атома определяется именно их электронной оболочкой, которая вращается вокруг ядра атома и занимает практически весь объем. Когда частица движется через твердое тело, она тоже «чувствует» в первую очередь электронные оболочки, которые, как известно, заряжены отрицательно. Отрицательно заряженный электрон от них отталкивается и поэтому легко обходит все препятствия, находя себе оптимальный путь в силу естественных причин. А положительно заряженный протон, наоборот, притягивается ко всем электронным оболочкам и застревает в них. Я называю протон пролетарием. У него, в отличие от всех других атомов, есть только один электрон, который он довольно легко теряет. И после этого у него не остается ничего. К примеру, у натрия электрон отнять еще легче. Но после этого у иона натрия остается еще десять других, и потерянного не так жаль. А у протона электрон был только один, и ему уже нечего терять, кроме своих «цепей». Именно поэтому он цепляется зубами за электронные оболочки любого электроотрицательного атома в надежде вернуть свое. Именно в электронных оболочках таких атомов, связанный с ними цепями, он обычно и живет. Этим протон принципиально отличается от любого другого иона. Именно поэтому и его перемещение в твердом теле происходит не так, как у других ионов. Он перемещается не «прыжками», а двухстадийно — за счет вращения группы атомов, с которыми он связан, с последующим перемещением из одной группы в другую. Поэтому исследовать перенос протонов в твердых телах было крайне интересно.

Но любой ученый хочет не только изучать то, что интересно, но и получить в итоге что-то полезное, нужное человечеству. Именно перенос протонов в твердых телах определяет протекание всех процессов, лежащих в основе водородной энергетики, программу развития которой в начале этого десятилетия приняла Россия, как и ряд других передовых стран мира. Конечно, для того, чтобы получить полезные материалы, надо упорно трудиться.

Об энергии и безопасности

Конечно, по сравнению с учеными прошлого наши области интересов очень ограничены. Диоген, сидя в бочке, размышлял обо всем. А наш знаменитый соотечественник Михаил Ломоносов занимался одновременно химией, физикой, математикой и еще писал стихи. Но для современных ученых это немыслимо. Каждый из нас работает в своем, довольно узком направлении. Мои интересы также не столь разносторонни, но материалы с протонной проводимостью — не единственная область наших научных интересов. Наша лаборатория работает сразу в нескольких направлениях — это мембраны, литий-ионика, сенсоры и получение водорода. На самом деле все они во многом пересекаются, а водородная энергетика и литий-ионика развиваются параллельно и даже в чем-то конкурируют друг с другом, хотя у каждой из них есть своя ниша.

Начну с того, что почти всегда в основе создания почти всего того, чем мы пользуемся, лежит новый материал, который исследователь получил и у которого обнаружил некое уникальное свойство, никому до тех пор не доступное. Потом совместно с другими учеными и инженерами материаловед работает над тем, как этот эффект можно улучшить и использовать. В итоге именно появление нового материала оказывается началом цепочки работ, результатом которой становятся новые устройства, автомобили, здания и любые другие объекты материального мира, которые с каждым годом быстро преобразуются и прогрессируют.

Мир современных технологий невозможно представить без литий-ионных аккумуляторов. Развитию литий-ионики в нашей, да и не только в нашей стране в последние годы уделяется огромное внимание. Энергия — один из самых старых, но и один из наиболее востребованных продуктов человечества. Но именно с производством энергии во многом связано загрязнение окружающей среды. Сжигание ископаемого топлива приводит к выбросам не только углекислого газа, о котором так много говорят в последние годы, но и оксидов азота, серы, продуктов неполного сгорания, которые намного опаснее. Поэтому человечество впервые за всю свою историю задумывается о смене энергоносителя не на более выгодный с точки зрения эффективности и экономики, а на более экологичный. Именно забота об экологии ведет нас к замене нефти и бензина на возобновляемые источники энергии — солнце, ветер, воду. Но возможность их использования ограничивается цикличностью (как у солнца) или непостоянством (как у ветра). Очевидно, что энергия нам нужна и днем, и ночью, но, например, энергию солнца мы можем использовать только днем. А летом солнце в наших широтах дает в 5–10 раз больше энергии, чем зимой, когда она нужна ничуть не меньше. С другой стороны, атомные станции нельзя отключать на ночь, когда наша потребность в энергии заметно меньше. Очевидно, что для эффективного использования таких источников энергии необходима их совместная работа с накопителями энергии.

© Высшая школа экономики

Идея создания литий-ионных аккумуляторов возникла в 1970 году, а уже с начала XXI века мы не можем представить свою жизнь без них. Они обеспечивают работу и нашего мобильного телефона, и компьютера, и беспроводного инструмента, и самых современных моделей автомобилей. Сейчас по инициативе «Росатома», точнее, его топливной компании АО «ТВЭЛ» в России строятся две гигафабрики по производству таких накопителей. Но с каждым годом нам нужны более энергоемкие аккумуляторы, а еще необходимо сделать их безопаснее. Для этого, в свою очередь, нужны новые катодные и анодные материалы и электролиты, которые должны воплотить наши помыслы в реальность. Именно разработкой таких материалов, делающих аккумуляторы более энергоемкими и максимально безопасными, и занимается наша лаборатория в ИОНХе.

Чем прекрасен мембранный катализ

Если с помощью литий-ионики мы можем легко гасить суточные колебания энергии, то столь же эффективно справляться с сезонными колебаниями, когда зимой солнце дает существенно меньше энергии, чем солнечным летом, она не может. К сожалению, у аккумуляторов есть саморазряд. И хотя это не такой быстрый процесс, потери оказываются весьма ощутимыми, и в процессе долгосрочного хранения энергии, несомненно, будет доминировать водород. Произведенный летом и помещенный в баллоны или сплавы водород может ждать своего часа, пока он нам не понадобится. Первая волна интереса к водородной энергетике возникла в 50-х годах прошлого века, и сейчас интерес к ней вновь возрос. Так, в 2020 году Россия приняла программу развития водородной энергетики. Правда, по понятным обстоятельствам развивается она не так быстро, как хотелось бы, но, надеюсь, со стабилизацией экономики она продолжит свое становление.

Часть нашей работы связана с получением водорода. Одним из наиболее перспективных подходов является мембранный катализ. Водород, который легче всего получить из природного газа с помощью высокотемпературных процессов, является достаточно «грязным». Однако продуктами этой реакции оказываются не только водород и углекислый газ, но и монооксид углерода, или угарный газ, — еще более неприятное соединение. Оно неудобно по многим причинам, и не только потому, что это яд для человека. Гораздо важнее, что он вреден и для катализаторов топливных элементов, если в водороде присутствуют даже небольшие примеси СО, они работают менее эффективно и производят меньше электроэнергии. Есть разные методы очистки. Но стоит отметить мембранный катализ, который позволяет совмещать производство водорода с его очисткой. Этот процесс открыл российский ученый Владимир Михайлович Грязнов, который был заведующим лабораторией в Институте нефтехимического синтеза. И это еще одно направление нашей работы. Используя новые типы мембран и оптимизируя катализаторы, на выходе из реактора получается два потока — абсолютно чистый водород и водород с большим количеством примесей СО и СО2, который можно использовать, например, для химического синтеза.

Наука о мембранах

Полученный водород затем переводится в энергию в высокоэффективных устройствах с очень высоким коэффициентом полезного действия — топливных элементах. Сердцем топливного элемента является протонопроводящая мембрана. Мембраны — еще один раздел химии, которым мы активно занимаемся. У нас в России в этой области работают замечательные ученые, составляющие наше мембранное сообщество. Я люблю эту науку и всех тех, с кем мы сообща работаем над созданием и продвижением новых мембран и мембранных процессов. К сожалению, российские исследователи долгое время почти не занимались синтезом новых ионообменных мембран, используя преимущественно модификацию коммерческих материалов и исследуя процессы с их участием. Однако в последние годы мы стали развивать методы синтеза мембран и с тех пор довольно многого в этом направлении достигли. Наши мембранные материалы по свойствам похожи на дорогие перфторированные, которые считаются эталоном по сочетанию своих свойств, но, в отличие от них, будут значительно дешевле. Мембранные материалы не настолько нашумевшая в бытовом смысле тема, как те же литий-ионные аккумуляторы, но мембранная наука всегда находилась и находится на самых передовых рубежах в нашей индустрии. Мембраны широко применяются в различных областях — от энергетики до водоочистки и мембранного катализа, о которых я уже говорил.

© Высшая школа экономики

Мне повезло с тем, что у меня много научных интересов, а научная карьера всегда складывается из каких-то маленьких успехов и неудач. Желательно, конечно, чтобы удач было больше, иначе работать будет неинтересно. К счастью, у нас это получается, потому что мы все время тщательно обдумываем, в каком направлении идти и как добиться того, чего мы хотим. Хочу подчеркнуть слово «мы», потому что химия — наука практическая и коллективная. Все, что мы делаем, мы делаем вместе с нашими коллегами. Вместе со мной работает много хороших ученых, в том числе ребята, которых я учил в Высшем химическом колледже, в МГУ и теперь в Вышке. Мы с первого курса приучаем студентов заниматься научной работой. Причем на самом высшем уровне — чтобы они поняли, что это интересно и может быть полезно людям, чтобы они полюбили химию и к тому моменту, когда защищают диплом, уже были так же влюблены в нашу науку, как я, и чтобы имели определенное число хороших публикаций. Это тоже очень важно для дальнейшей работы в науке.

Но, наверное, больше всего я благодарен науке за прекрасных друзей и коллег в разных уголках нашей большой страны, с которыми мы вместе работаем и обсуждаем научные и околонаучные проблемы, связанные с образованием и инновациями.

19 марта