Химия наука будущего: элементы будущего – Наука – Коммерсантъ

элементы будущего – Наука – Коммерсантъ

Ученые Менделеевского университета (РХТУ им. Д. И. Менделеева) определили несколько прорывных химических технологий и направлений, которые обладают важнейшим прикладным потенциалом. Особого внимания заслуживают разработки в областях малотоннажной химии, фармацевтики, сверхкритических технологий, новых материалов для микроэлектроники и биотехнологий. Исследователи уверены, что в условиях современных вызовов такие разработки могут иметь решающее значение для научно-технологического развития России.

Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ

Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ

Химический комплекс России в последние несколько лет продолжал рост, который не прекращался и во время пандемии. Даже в столь непростой период производство химических веществ и продуктов в нашей стране выросло на 2,4%.

«Химия — поистине универсальная наука, обобщающая все отрасли промышленности и сферы жизни человека. Мы живем в мире, пропитанном химической наукой и сотканном из химических веществ. Она присутствует в любых технологических процессах, будь то книгопечатание или производство смартфонов, пищевая или автомобильная промышленность, медицина, космос, электроника, биотехнологии, фармацевтика. Все высокотехнологические отрасли базируются на химических процессах и материалах. Химия в настоящее время становится метанаукой, и, несмотря на то что приставка “мета” для химиков носит вполне определенный смысл, “метапредметность” химии важна и видна. И значение химии как науки в экономике страны будет только расти»,— считает и. о. ректора РХТУ им. Д. И. Менделеева, д. т. н., профессор Илья Воротынцев.

Сейчас отечественной индустрии особенно нужны новые драйверы роста и технологические решения. И они существуют, считают ученые Менделеевского университета. Эксперты рассказали о наиболее перспективных, устремленных в будущее химических технологиях.

Малотоннажная химия

К сектору малотоннажной химии в России принято относить предприятия по выпуску продукции до 10 тыс. тонн в год. Это производство товаров бытовой химии и растворителей, химических реактивов, катализаторов и многих других продуктов, требующихся в небольших количествах. Традиционно спрос на малотоннажную продукцию удовлетворяется в основном за счет поставок из-за границы.

В Менделеевском инжиниринговом центре РХТУ полагают, что малотоннажная химия может внести значительный вклад в рост российского ВВП в силу своей наукоемкости и глобальной конкурентоспособности. Для этого предлагается организационное структурно-технологическое решение: создание многоассортиментных гибких производственных площадок модульного типа, объединенных в технопарки.

«В отличие от заводов классического типа, каждая из таких площадок может производить в год сотни различных актуальных наименований продукции, наиболее востребованных на рынке. Многоассортиментные площадки предоставляют возможность оперативного включения в производственный план продукции, требуемой в соответствии как с рыночной потребностью, так и с госзаказом»,— комментирует директор Менделеевского инжинирингового центра РХТУ Ратмир Дашкин.

Особой эффективности такие модульные площадки могут достигать именно при объединении в химические технопарки, считает специалист. В качестве примера он приводит инновационный научно-технологический центр «Долина Менделеева» в Тушинском комплексе РХТУ, решение о создании которого было принято еще в конце 2019 года. Этот технопарк становится универсальной платформой, где на одной площадке соседствуют научно-технологический и производственный кластеры, объединяющие R&D-подразделения крупных компаний, средние и малые инновационные компании. Он же обеспечивает доступ к поддерживающей инфраструктуре для создания и вывода на рынок новых продуктов. Это адаптивные реакторные залы, центры испытаний и сертификации, центры коллективного пользования, инжиниринговые центры, склады прекурсоров, отделы проектирования, сервисно-инженерные службы и т. п.

Аналогичный проект, площадка «умной» химии и композитных материалов, обеспечивающих одновременно импортозамещение и формирование новых рынков, стартует и в Тульской области. Это инновационный научно-технологический центр «Композитная долина».

Фармацевтические химические технологии

Основная цель медицины и фармацевтики — лечить болезни, увеличивать продолжительность жизни и повышать ее качество. На сегодняшний день науке известно многое о человеческом организме, мы обладаем мощными инструментами для борьбы с разными болезнями. Результаты лечения станут еще лучше, когда ученые смогут минимизировать побочные эффекты лекарств, выявлять болезни раньше и точнее определять круг пациентов, которые с наибольшей вероятностью получат пользу от конкретной схемы лечения, отмечают в РХТУ.

К неотложным задачам фармацевтики относятся создание и производство высоко эффективных, селективно действующих и безопасных лекарств и диагностических препаратов. Персонализированная медицина, новые иммунотерапии рака, генная терапия, big data, удаленный мониторинг и искусственный интеллект (ИИ) — это технологические достижения, создающие благодатную почву для расцвета фармацевтических и медицинских технологий.

«Когда мы думаем о будущем медицины, то обычно представляем себе футуристические компьютеры с искусственным интеллектом, органы, напечатанные на 3D-принтерах и роботов-хирургов. Новые методы, применяемые для создания лекарств, не менее интересны и амбициозны»,— считает профессор кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ, д. х. н. Светлана Гельперина.

Цифровые технологии в фармацевтике

Для рационального создания лекарств необходимо использовать многочисленные источники научных и медицинских данных. Длительный и трудоемкий процесс дизайна и разработки лекарств можно ускорить и усовершенствовать с помощью суперкомпьютеров, которые позволяют обрабатывать огромные массивы данных. Искусственный интеллект моделирует взаимодействие мишени и потенциальных лекарственных веществ и способен быстро генерировать тысячи потенциально активных химических структур, многократно ускоряя процесс открытия эффективных лекарств. По мнению Светланы Гельпериной, для эффективного использования big data нужен мультимодальный ИИ, который выведет исследователей на новый рубеж в обнаружении путей развития заболеваний, а также персонализации лечения и прогноза для пациентов.

Квантовые вычисления в фармацевтике

Применение вычислительных методов для поиска лекарств само по себе не новость. Но использование сверхэффективных квантовых компьютеров для выявления ранее неизвестных соединений только недавно стало перспективной областью.

В то время как классические компьютеры используют биты, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут быть либо включены, либо выключены, либо и то, и другое, что известно как суперпозиция. Это свойство позволяет значительно ускорить и оптимизировать тестирование и прогнозирование, и это делает технологию особенно перспективной для поиска лекарств.

Нанофармацевтика

Актуальность создания принципиально новых препаратов, отличающихся более высокой селективностью, послужила стимулом для разработки подходов к созданию систем направленной доставки лекарственных веществ на основе разнообразных наноносителей. Использование наноносителей позволяет существенно изменять профиль распределения лекарства в организме и оптимизировать его действие — в частности, получить препараты с улучшенным профилем безопасности. Сейчас наночастицы используют также в производстве вакцин. Нанофармацевтика будет играть все более важную роль и в лечении онкологических заболеваний.

Биотехнологии

Особая роль в развитии химических технологий — у перспективных биотехнологических направлений, считают менделеевцы. Редактирование генов (вставка, удаление, модификация или замена ДНК в геноме) является многообещающим и относительно новым подходом к лечению генетических заболеваний. Огромный потенциал содержит изучение микробиома и его роли в здоровье человека. Это знание позволит разработать множество новых способов лечения или выявить новые мишени для малых молекул. В частности, речь идет об установлении связей между деятельностью мозга и кишечником, а также между сердечными заболеваниями и кишечником. Открытия в этой области могут привести к прорыву в лечении желудочно-кишечных заболеваний, неврологии и сердечно-сосудистой терапии.

«Однажды мы сможем использовать микробиом в профилактических целях. Например, модифицируя определенные бактерии для профилактики артрита или депрессии»,— уверена Светлана Гельперина.

Пробиотические функциональные напитки и ингредиенты на основе зернового сырья

Разработка предназначена для пищевой и фармацевтической биотехнологии и относится к способам получения пробиотиков на основе растительного сырья. Технология позволяет производить функциональные напитки на основе молочнокислых бактерий с содержанием живых пробиотических микроорганизмов не менее 100 млн живых клеток в 1 мл и лиофилизат бифидобактерий с содержанием не менее 10 млрд живых клеток в 1 г.

«В отличие от большинства известных технологий, здесь не используются продукты животного происхождения, а основную массу составляет зерновое сырье (зерно пшеницы, ржи, ячменя и других злаков). Это делает продукцию пригодной для групп со специфическими предпочтениями и алиментарными расстройствами (например, непереносимостью лактозы). Также мы проводим научно-исследовательскую работу по созданию технологии получения пептидов с антимикробным действием с помощью молочнокислых бактерий»,— рассказывает заведующий кафедрой биотехнологии РХТУ, д. т. н. Виктор Панфилов.

Перевязочные материалы, содержащие белковые лекарственные препараты

Для лечения гнойно-некротических и ожоговых ран различного происхождения менделеевцами разработана технология получения новых перевязочных материалов — ранозаживляющих биодеградируемых на основе модифицированных полисахаридов, различных полиферментных комплексов и терапевтических агентов.

Выпускаемые медицинские изделия — раневые покрытия нового типа. Они позволяют снизить лекарственную нагрузку до 10–30 раз, сокращают сроки заживления ран в 1,5–2 раза, не вызывая аллергических реакций. Виктор Панфилов отмечает, что прямых мировых аналогов такое изобретение не имеет.

Соевые изофлавоноиды

В числе прочих биотехнологий РХТУ ученые отмечают способ получения очищенной фракции соевых изофлавоноидов, предназначенных в качестве вспомогательного средства для увеличения костной прочности и профилактики остеопороза. При недостатке эстрогена изофлавоноиды оказывают заместительное действие, а при избытке, наоборот, могут ингибировать биологические эффекты эстрогена, снижая, таким образом, его уровень в тканях. Соевые изофлавоноиды снижают уровень холестерина в крови и препятствуют развитию атеросклеротических бляшек и образованию тромбов. Эта разработка предполагает получение очищенной фракции изофлавоноидов совместно с получением по той же технологической схеме изолята белка сои, тогда как существующие технологии предполагают раздельное получение данных целевых продуктов.

Комплексная переработка клубней топинамбура с получением фруктанов и пробиотического продукта для животных

Концепция функционального питания с каждым годом приобретает все большее распространение.

«Среди других к группе пребиотиков относят фруктаны — инулин и фруктоолигосахариды, которые входят в состав таких растений, как девясил, цикорий, топинамбур, чеснок, эхинацея и ряд других. Предлагаемая технология, в отличие от большинства известных ранее, является комплексной, причем позволяет получить сразу два функциональных продукта — пищевой пребиотик и кормовой пробиотик с лактобациллами. Рациональное использование вторичного растительного сырья (жома топинамбура и сточных вод после ультрафильтрации), а также отказ от органических растворителей существенно снижают экологический урон, наносимый окружающей среде. Мы создали новый метод для оценки эффективности комбинаций пробиотических микроорганизмов (таких как бифидобактерии) и пребиотических веществ. Такой метод может быть использован для создания новых синбиотических лекарственных препаратов, БАД и функциональных продуктов с усиленным действием»,— подытоживает Виктор Панфилов.

Основные тренды развития многих технологий будущего действительно связаны с биотехнологиями, подтверждает заведующий кафедрой химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ им. Д. И. Менделеева, д. т. н. Наталья Меньшутина.

«Впереди нас ждет получение различных пептидов, моноклональных тел, бактериофагов, продуктов клеточных технологий»,— отмечает специалист.

Также Наталья Меньшутина относит к числу наиболее перспективных химических технологий микрофлюидные технологии, дающие возможность экономить энергию и ресурсы, а также экологически чистые технологии с замкнутым циклом и сверхкритические технологии, позволяющие создавать принципиально новые материалы.

Сверхкритические технологии

Сверхкритические технологии являются энерго- и ресурсосберегающими, соответствуют основным принципам зеленой химии и представляют собой экологически чистые технологии с замкнутым циклом. Вещества в сверхкритическом состоянии обладают управляемой растворяющей способностью, низкой вязкостью, высоким коэффициентом диффузии веществ в них, отсутствием поверхностного натяжения, высокой проникающей способностью, поясняет Наталья Меньшутина.

К таким технологиям относятся сверхкритическая флюидная экстракция (извлечение экологически чистых экстрактов без остаточного содержания органических растворителей), сверхкритическая сушка (получение аэрогелей), микронизация (получение аморфных нано- и микрочастиц) и импрегнация (получение веществ в аморфном состоянии, новых систем доставки активных веществ).

Научный коллектив РХТУ им. Д. И. Менделеева впервые в России разработал и внедрил технологию получения аэрогелей различного назначения. Аэрогели — это материалы с низкой плотностью (0,003–0,15 кг/м3), открытой пористой структурой (до 99%), высокой удельной площадью поверхности (500–1000 м2/г) и узким распределением пор по размерам (в диапазоне от 2 до 50 нм). Благодаря этим свойствам аэрогели представляют собой перспективную основу для тепло- и звукоизоляционных материалов, сорбентов, высокоэффективных способов доставки лекарственных средств, клеточных матриксов, накопителей энергии, катализаторов. Аэрогели могут быть получены на основе широкого спектра исходных материалов: оксида кремния, биополимеров, оксидов металлов и т. д. Особый интерес представляют гибридные аэрогели — комбинация различных исходных материалов.

Промышленная экология

Исследователи РХТУ принимают участие в прикладных работах по улучшению экологических показателей промышленных предприятий России и ряда зарубежных стран.

«Для завода по переработке отходов первого и второго классов опасности создана технология глубокой переработки высокоминерализованных сточных вод с нулевым сбросом на основе мембранных методов с получением технической воды, гидросульфата натрия и смеси сухих солей натрия»,— рассказывает декан факультета биотехнологии Менделеевского университета, д. т. н., профессор Наталия Кручинина.

Геленджик и другие регионы страны, испытывающие дефицит пресной воды, получают воду питьевого качества благодаря технологии обессоливания морской с использованием обратноосмотических мембран при относительно низких удельных затратах электрической энергии.

Для Кунградского содового завода (Узбекистан) разрабатывается технология глубокой переработки минерализованных сточных вод с близким к нулевому сбросом на основе обратноосмотических мембран с получением воды технического качества и возможным получением твердых субпродуктов.

Для металлургического завода имени Хосе Марти (Республика Куба) ученые использовали технологию замкнутых оборотных циклов водоснабжения с получением высококачественной подпиточной воды за счет методов ионного обмена и обратного осмоса.

По данным Наталии Кручининой, будут востребованы и другие разработки Менделеевского университета: получение активных углей из отходов сельского хозяйства (косточки плодовых деревьев, рисовая шелуха, костра льна и др. ), древесно-стружечных материалов (мебельные отходы), полимерных отходов. Угольные фильтры, созданные на основе этих технологий, также найдут применение в деле очистки сточных вод различного происхождения. Также РХТУ работает над темами утилизации отвалов нефтедобычи (отработанные нефтеносные пески) с получением титан- и скандийсодержащих концентратов, синтеза комплексных алюминий/титансодержащих коагулянтов на основе титановых концентратов. Эти коагулянты работают гораздо эффективнее, чем привычные соли алюминия или железа, и предназначены для очистки сточных вод пищевой промышленности, гальваностоков и фильтратов полигонов твердых коммунальных отходов.

Материалы для микроэлектроники

Новое поколение материалов для микроэлектроники будет основано на моноизотопных соединениях, считает заведующий кафедрой химии и технологии кристаллов РХТУ, д. х. н., профессор Игорь Аветисов.

«Переход на моноизотопные соединения произойдет через много лет, но это направление является очень перспективным. В этом случае флуктуации кристаллической решетки будут меньше. Для моноизотопного кремния было показано, что он дает выигрыш в 30% по теплопроводности относительно обычного кремния. Это хороший показатель, так как в подобных технологиях имеет значение каждый процент. Еще можно использовать карбид кремния, теплопроводность которого на порядки выше, а также алмаз — минерал, форма углерода, которая может существовать неограниченно долго. Такие технологии можно уверенно назвать технологиями будущего»,— констатирует профессор Аветисов.

По данным ученого, к топовым технологиям в микроэлектронике относятся именно те решения, которые связаны с качественными изменениями характеристик материалов, с переходом от кремниевых к углеродным структурам. Углерод — источник неиссякаемый, а сам алмаз выигрышно отличается от кремния. При сохранении прежних размеров мощность вырастет на порядки, к тому же за счет качественного изменения характеристик материалов будет практически решена проблема перегрева электронных устройств.

В России есть очень неплохие научные коллективы с участием менделеевцев, которые занимаются подобными разработками, но пока остается другая проблема — соотношение качества и цены.

Подготовила Юлия Барановская

Высокие и чистые. Технологии зелёной химии — будущее Земли?

Слова «сплошная химия» в русском языке приобрели ярко выраженный негативный оттенок, и неспроста. Однако профессор из Ноттингема Мартин ПОЛЯКОВ (Poliakoff), вице-президент Лондонского королевского общества, иностранный член Российской академии наук и известный популяризатор, готов с энтузиазмом отстаивать достоинство науки, которой посвятил свою жизнь. О том, что такое современная химия, и об ожиданиях, связанных с нею, с профессором Поляковым беседуют главный редактор журнала «Наука и жизнь» Елена Лозовская и обозреватель Елена Вешняковская.

Профессор Ноттингемского университета Мартин Поляков.

Творческая группа, снявшая видеосериал о Периодической системе элементов (www. periodicvideos.com).

‹

›

Открыть в полном размере

Химия — она и в Африке химия

— Роли и границы фундаментальных наук в современном мире всё время пересматриваются. Не растворяется ли сегодняшняя химия в пограничных с нею областях — биологии, физике, науке о материалах, в модных нанотехнологиях, не происходит ли её размывания как фундаментальной науки?

— Думаю, что нет. Всё-таки и в Англии, и здесь, в России, мы продолжаем преподавать в университетах физику, химию как самостоятельные науки, а нанотехнологии и подобные вещи студенты изучают позже, в магистратурах. Что касается общей ситуации с фундаментальными науками, на мой взгляд, они сейчас более популярны, чем десять или двадцать лет назад. Например, у нас на химфаке — я работаю в Ноттингемском университете — в этом году первокурсников будет на 30% больше, чем год назад. Такие области, как нанотехнологии, довольно модны, но модные тенденции обычно живут не очень долго. Конечно, сегодня резко выросло значениие биологии, но биология — тоже фундаментальная наука.

— И всё же в последние годы Нобелевские премии по химии всё чаще присуждают за исследования, близкие к биологии.

— Это не совсем так. Мы ежегодно делаем видеоролик о нобелевской премии по химии: я сижу у себя в кабинете, по интернету идёт церемония вручения Нобелев-ских премий, потом я объясняю, в чём суть отмеченной работы. В прошлом году премию дали за работу в области физической химии, за квазикристаллы, годом раньше — в области органической химии, два года назад — за каталитическую реакцию кросс-сочетания в органическом синтезе. Иногда награждаются работы по биохимии, но это потому, что не существует Нобелевской премии по биологии. Между тем исследования ДНК и подобные им очень важны и, конечно, должны быть отмечены. Знаю, что некоторые мои коллеги не одобряют такого распределения премий, но, на мой взгляд, оно нравственно.

— С чем, по вашему мнению, связан рост количества первокурсников-химиков, который вы отметили?

— Трудно точно сказать. Возможно, дело в том, что цена обучения выросла в этом году в три раза: с трёх тысяч фунтов до девяти, и студенты чаще решают изучать что-то полезное. Может быть, точные и естественные науки представляются им более полезными, чем, скажем, история. Хотя, с другой стороны, повышение цен произошло совсем недавно, слишком мало времени прошло, чтобы оно могло сущест-венно повлиять на количество студентов. Некоторые физики думают, что в их области сказывается влияние одного молодого физика по имени Брайан Кокс. У него есть целая серия программ на телевидении, а раньше он играл в ансамбле и выглядит на экране соответственно — как музыкант. Он очень модно одет, иногда даже кажется, что это программа не о науке, а о моде… Многие считают, что физика обязана ему ростом своей популярности. А может быть, в наборе в Ноттингемский университет сыграл свою роль наш канал на YouTube. Мы получаем много электронных писем не только из Англии, но и из Кореи, Америки и других стран: школьники пишут, что, посмотрев наш канал, решили изучать химию, потому что она интереснее, чем им раньше казалось. Но я учёный и знаю, что нельзя на основании одного эксперимента строить целую теорию. Надо понаблюдать в течение нескольких лет, чтобы узнать, есть ли статистически достоверный эффект.

— Сейчас сетевые медиа активно ищут своё место не только в деле популяризации науки, но и в собственно образовании. Видеокурсы, записи лекций ведущих профессоров становятся всё более востребованными. Есть ли в этом смысл, на ваш взгляд, и есть ли будущее у «образования по видео»?

— Проблема, на мой взгляд, в том, что видеолекции часто скучны. Слушать профессора, который читает лекцию живьём, присутствовать в академической аудитории — это намного интереснее, чем смотреть то же самое в записи. Я не уверен, что видео — самый эффективный способ передавать информацию. Поэтому у наших видеороликов нет серьёзных образовательных задач. Они интересны, но не пытаются учить. Конечно, записать лекции выдающихся учёных — хорошая мысль. Хотя я сам не отношу себя к аудитории видеолекций, но знаю, что многие с удовольствием послушали бы в записи, например, профессоров Массачусетского технологического института. Но всё это требует серьёзной подготовки, оборудования, редактирования и так далее. Где такие лекции могли бы быть полезнее всего — так это, например, в Африке, где уровень преподавания часто невысок, потому что не хватает опытных преподавателей. Но у них, к сожалению, и интернет-связь развита так слабо, что технически проблематично такие лекции смотреть. Я знаю ситуацию, в частности, в Эфиопии, потому что мой сын преподавал там физику. Обучение ведётся на английском языке, потому что в Эфиопии существует около 80 языков, а для образования нужен какой-то один, общий. Десять лет назад, когда Сёма начал там преподавать, университетов в этой стране было около десяти. Теперь их 31. Но, расширяя сферу образования так радикально за такой короткий срок, очень трудно обеспечить его качество — мало оборудования, мало людей и не хватает многого другого. Вдобавок правительство Эфиопии решило, что 70% студентов должны изучать либо естественные и точные науки, либо технологии. Это же громадное количество! Вот им нужно всё: и книги, и видео, из Европы, из Америки — отовсюду. Я уже заключил договор с издательством научной литературы Oxford University Press и передал диск с копиями книг по физической химии, чтобы их могли издать в Эфиопии для студентов как можно дешевле. Сами книги пересылать слишком сложно и дорого: они толстые и тяжёлые и после пересылки стоили бы там в пять раз дороже, чем в Англии.

Задача Робин Гуда

— Вы член Royal Society, Королевского общества, которое мы здесь у себя привыкли считать британским аналогом Российской академии наук. Как живёт организация, нацеленная на поддержку фундаментальных исследований, сейчас, когда, в связи с кризисом, особенно востребована прагматика?

— Мы только отчасти аналог академии наук. Королевское общество устроено по-другому. У нас нет институтов, академиков, зарплат. Я получаю своё жалованье в Ноттингемском университете, где преподаю, а в Королевском обществе работаю бесплатно. Это позволяет нашей организации оставаться независимой. Мы получаем от правительства небольшие деньги на гранты, около 70 миллионов фунтов, и можем поддерживать хорошие исследования, но в гораздо меньшем масштабе по сравнению, скажем, с Исследовательским советом — Research Council, который получает на поддержку физических наук 700 миллионов фунтов — в 10 раз больше, чем мы. Прикладные исследования мы тоже поддерживаем, у нас есть специальная категория так называемых Applied Candidates — кандидатов в прикладных областях, но в основном всё-таки фундаментальные. Хотя, с другой стороны, я стал членом Королевского общества благодаря зелёной химии, а зелёная, то есть экологически чистая, химия — это довольно прикладная область. У Королевского общества, в силу его устройства, нет тех проблем, которые стоят перед Российской академией наук. У нас нет институтов, нет проблем, связанных с преклонным возрастом учёных… Хотя надо сказать, что у нас приблизительно 1500 членов, и среди них много довольно старых людей. Средний возраст учёного, вступающего в Королевское общество, сейчас около 55 лет. Один из недавно принятых в него математиков, специалист в области математической статистики, подсчитал, что средняя продолжительность жизни учёного после приёма в академию составляет 30 лет или больше.

— Вы упомянули зелёную химию. Если можно, несколько слов о том, что это такое.

— Это экологически чистая химия. В конце 1980-х годов Роджер Шелдон, англичанин, который работает в Голландии, ввёл в употребление понятие E-фактор — показатель того, сколько килограммов отходов приходится на каждый килограмм вещества — конечного продукта. Для обычных пластиков этот показатель может равняться пяти килограммам, но, например, для лекарства (как правило, имеющего сложную молекулярную структуру и требующего многоэтапного синтеза) на каждый килограмм продукции отходов может приходиться до полутонны. Идеология зелёной химии — минимизировать отходы. В идеале — свести к нулю, в реальности хотя бы просто уменьшить по сравнению с нынешним уровнем. Это важно, потому что население Земли растёт, на планете уже просто нет места для химического производства, которое бы могло обслуживать всех по существующим высокоотходным технологиям. И учтите, что 1,3 миллиарда самых бедных должны получить больше химической продукции, потому что у них потребность в лекарствах больше, чем у остальных. Перед химиками стоит задача: как производить больше — из меньшего? Я живу в Ноттингеме, поэтому называю её «задачей Робина Гуда»: как дать бедным, не отнимая у богатых? Это очень интересная и сложная научная проблема.

— Но насколько экономически выгоден переход на зелёные технологии?

— Вы наверняка слышали про лекарство виагра. Первоначально для его производства тратили тысячу триста литров растворителя на каждый килограмм готового продукта. Теперь, используя принципы зелёной химии, — 6,3 литра. Конечно, для компании, которая производит препарат, это очень выгодно, потому что тонна растворителя гораздо дороже, а потом его надо ещё и утилизовать, что тоже очень затратно. Так что обычно зелёная химия экономически довольно привлекательна. Правда, идеальной технологии, которая бы позволяла сделать все процессы экологически чистыми, пока не существует. Мы, зелёные химики, должны её найти. Здесь, в России, идеи зелёной химии активно продвигает академик Валерий Васильевич Лунин, декан химического факультета МГУ. Я надеюсь, что в конце концов всё химическое производство станет зелёным, пусть и не завтра. Ведь это же в принципе глупо — заниматься утилизацией тонн отходов, если можно изначально сделать так, чтобы их не было.

— Зелёная химия — не такая уж новая идея. Насколько быстро она овладевает умами?

— Лет 50 назад вышла очень известная книга Рэйчел Карсон «Silent Spring» — «Безмолвная весна». Карсон писала, что в Центральной Америке, где развито сельское хозяйство, весной совсем нет птиц — из-за химикатов, которые употребляются для обработки растений. Это была первая ласточка американского экологического движения. В Америке организация по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency) оценивает риск с помощью формулы, связывающей его, во-первых, с собственно угрожающим фактором, во-вторых — со степенью, в которой окружающая среда подвергается этой угрозе, то есть с дозой. В обычном химическом производстве мы стремимся минимизировать дозу. Но если угроза изначально равна нулю, то нет необходимости инвестировать в минимизацию дозы. Начинать следует с того, чтобы избавляться от самых токсичных реагентов. Допустим, если вашему производству нужны красители, можно изменить структуру красителя так, чтобы он стал нетоксичным, без ущерба для цвета. С точки зрения Environmental Protection Agency, если какое-то вещество совершенно экологически безопасно, то его использование не надо постоянно контролировать, что выгодно для всех. Эти идеи впервые были выдвинуты 25 лет назад, и с тех пор зелёная химия стала довольно популярна. По её проблематике выходит как минимум десяток научных журналов, проводится очень много конференций. Только в этом году состоялись конференции по зелёной химии в Америке, Бразилии, Индии, России.

— Зелёные технологии уже применяются?

— И достаточно широко. Есть примеры перехода крупных компаний на использование возобновляемых ресурсов. Как вы знаете, для минеральной воды и лимонадов используются пластиковые бутылки. Недавно несколько крупных производителей, в том числе Coca-Cola, Pepsi, Heinz, начали запускать линии по созданию упаковок из возобновляемых ресурсов. Это серьёзные, масштабные производства; на некоторых бутылках вы уже сегодня можете видеть пометку «plant bottle», означающую, что этот пластик сделан из растительного сырья. А в июне на конференции в Бразилии каждый участник получил сумку от бразильской компании Braskem, которая производит этилен из спирта, который, в свою очередь, добывают из сахарного тростника.

— Если зелёная химия так выгодна, почему мы не видим её взрывного распространения по планете?

— Потому что, хотя население и растёт, производство химических веществ расширяется сравнительно медленно. Построить химзавод мирового класса обходится очень дорого — в сотни миллионов долларов. Так что, если какая-то фабрика или завод уже существуют, никто не станет строить новых, по крайней мере, пока производство не понадобится расширять. И вообще смена технологической парадигмы — это небыстрый процесс. Но зелёной химии уже 20 лет, и я думаю, что скоро мы увидим рост. Для большинства населения, впрочем, этот рост может пройти совершенно незамеченным. Люди пока ещё не отдают себе отчёта в том, как много они потребляют химической продукции, между тем она присутствует во всём, что нас окружает: от мобильного телефона до шампуня. В пищевой промышленности ситуация с осведомлённостью получше, потому что, не знаю, как в России, но в Англии люди могут купить и часто предпочитают покупать еду, на которой написано, что она органического происхождения; хотя такие продукты, как правило, дороже. Как только зелёное производство станет выгоднее обычного и затраты производителя при той же цене на его продукцию окажутся ниже, начнётся рост зелёных технологий. Но большинство людей просто продолжат покупать привычные экологически чистые продукты по привычным ценам, не думая, по какой технологии они получены.

Как меняется мир?

— Профессор, вы несколько раз приводили в качестве существенного фактора рост населения. Рост населения в малообеспеченных и проблемных регионах — это, на ваш взгляд, стимул развития высоких и чистых технологий или препятствие?

— Рост населения — это самая серьёзная проблема, которая влечёт за собой все остальные: изменения климата, недостаток нефти, недостаток пищи и так далее. Никто не знает, как эту проблему решать. Правительствам она не очень интересна, потому что срок существования каждого правительства недолог, дело осложняется религиозной проблематикой, вопросами сексуальности… Политикам часто трудно говорить об этом, поскольку у них самих много детей, никто из них не может позволить себе встать и сказать, что необходим контроль над рождаемостью. Но видно, что рост населения зависит от экономического фактора: качества жизни людей. Чем качество жизни выше, тем он ниже. Думаю, что зелёные технологии нужны именно в этом контексте. Они позволяют снабжать людей самым необходимым, но продолжать производить химические вещества старыми методами при таком росте населения скоро станет невозможно. Надо переходить на более эффективные — и довольно срочно. В Индии и в Африке очень интересуются зелёной химией. Девять лет назад в Эфиопии я прочёл свою первую лекцию по зелёной химии, а сегодня там ею занимаются уже многие, потому что считают, что это их будущее.

— К вопросу о будущем: какие новые возможности доступны молодым людям, приходящим в науку сейчас? Что изменилось для вашего внука по сравнению с той наукой, в которую пришли вы?

— Сейчас особенно нужны новые идеи, направленные на решение проблем климата, чистой воды и так далее. Профессор, который учил в своё время меня, рос во время войны, и остриё исследований тогда было направлено на военные цели. А теперь стоят совсем другие задачи: как выживать в будущем, про которое никто ещё ничего не знает. Мы не знаем, откуда будем брать энергию, что будет представлять собой транспорт, каким станет производство — и так далее. Я считаю, сейчас наступило очень важное время для науки. Оно даёт молодым учёным возможность решать жизненно важные задачи: получать энергию, воду и подобное новыми методами.

— А что мотивировало вас в своё время? К чему стремились вы, когда вступали в науку?

— Трудно сказать… Мой отец всегда считал, что я стану учёным. Он был физиком, но, чтобы пойти по его стопам, мне не хватало математической подготовки, и я стал химиком. Помню, что в самом начале, в аспирантуре, я делал интересный проект по спектроскопии при низких температурах и был даже рад тому, что исследование не имеет никакой прикладной ценности. Эта радость была, как я теперь понимаю, довольно глупой. Но я любил проводить эксперименты, узнавать, как действует в том или ином случае nature… не знаю, как это сказать по-русски…

— Природа?

— Нет, не природа. Скорее мир. Мне просто было интересно.

Москва, сентябрь 2012 года.

***

Подробности для любознательных

Катализируй это! Надежды и опасения зелёной химии

Атомарная эффективность/экономичность. Второй, помимо Е-фактора, показатель эффективности той или иной химической технологии. Если Е-фактор оценивает отношение конечного продукта к использованному в его производстве сырью в килограммах, атомарная экономичность оценивает эффективность химической реакции, калькулируя соотношение атомных весов молекул «на входе» и молекулы вещества конечного продукта. Таким образом, зелёный синтез — это атомарно эффективный синтез, максимально утилизирующий в конечном веществе вещества-компоненты.

Катализ. Технологии, основанные на каталитических реакциях по определению «зеленее», поскольку минимизируют объём используемых реагентов. Правда, с учётом того, что большинство сегодняшних катализаторов имеют в основе металлы, сами по себе либо довольно токсичны, либо редки, одна из задач, стоящих перед «зелёными» химиками, — разработать «неметаллический» катализ, на основе органических компонентов (так называемый органокатализ) либо на основе модифицированных энзимов.

Растворители и агенты на основе СО₂. Традиционные органические растворители, используемые сегодня, — это мишень зелёной химии номер один. Высокотоксичные и часто, в реальном производстве, объёмные, они затратны в утилизации и, в силу способности распространяться вместе с водой, всегда опасны для окружающей среды. Решая эту задачу, зелёная химия с надеждой смотрит в сторону СО₂. В сверхкритическом состоянии (на грани фазового перехода между жидкостью и газом) он позволяет, меняя давление, без дистилляции сепарировать некоторые вещества, растворённые в воде, а его высокую диффузионную способность можно использовать для химической очистки фармацевтических препаратов. Наконец, технологии с использованием СО₂ в качестве агента или растворителя не увеличат нагрузку на климат, если использовать СО₂ промышленного происхождения — образованный в качестве побочного продукта. Единственное препятствие, которое предстоит преодолевать, — его сжижение энергетически весьма затратно.

Ибупрофен. Самая известная «история успеха» зелёной химии. Синтез этого популярного фармацевтического препарата был запатентован впервые в 1961 году и включал в себя шесть стадий. При этом в атомной массе конечного продукта оставалось лишь 40% атомной массы реагентов, 60% уходило в отходы, в том числе токсичные. Если бы сегодня ибупрофен производили по той же технологии, то отходы составляли бы более 20 000 тонн ежегодно. Срок патента истёк в 1984 году, а уже в начале 1990-х компания BHC переработала синтез с использованием катализа и реагентов, пригодных для многократного употребления, сократила его на три этапа и достигла атомарной экономичности 77%.

По материалам публикации Мартина Полякова и Пита Лайсенса в журнале «Nature» в декабре 2007 года.

***

Большинство людей настораживает само слово «химия», и тем не менее всё, что мы надеваем, едим, чем умываемся и на чём ездим, — это продукция химической и фармацевтической индустрий. Мы пользуемся всё более высоким качеством жизни и её растущей продолжительностью, при этом индустрию, которая всё это нам обеспечивает, часто обвиняют в том, что она отравляет Землю.

Из статьи Мартина Полякова и Пола Анастаса в журнале «Nature», сентябрь 2001 года.

***

Обществу нужны химические препараты. Подобно хорошему повару, химик-производственник стремится к безотходности. И всё же многие виды отходов ядовиты, и единственное, что остаётся, — это затратная их утилизация. С ростом населения и повышением стандартов жизни нынешние методы химического производства станут нерациональными. Производство будет расти пропорционально спросу, объём отходов — увеличиваться, свалки и полигоны перестанут его вмещать. Производителей всё сильнее будет ограничивать экологическое законодательство; контролирующие организации окажутся перегружены, и стоимость утилизации отходов задушит инновации.

Из статьи Мартина Полякова и Пола Анастаса в журнале «Nature», сентябрь 2001 года.

***

В октябре 2011 года численность населения планеты достигла 7 миллиардов (7 × 10⁹) человек. Мобильных телефонов в мире сегодня, наверное, больше, чем зубных щёток, и каждый телефон содержит на удивление много элементов.

Из статьи Мартина Полякова в журнале «Green Chemistry», июль 2012 года.

***

Зелёная химия — это больше, чем просто подчистить существующие процессы; если бы дело обстояло так просто, экономика уже бы заставила производителей двигаться в этом направлении. Скорее, зелёная химия идентифицирует потребности в синтезе новых, более безопасных молекул. Токсичность и полезность того или иного вещества часто обусловлены разными частями одной молекулы, например, пара стратегически расположенных метильных групп, добавленных в молекулу красителя, делают его гораздо менее ядовитым, не затрагивая способности к окрашиванию. Аналогично, незначительные структурные изменения могут увеличить биоразлагаемость молекулы.

Из статьи Мартина Полякова в журнале «Green Chemistry», июль 2012 года.

Химия: наука и искусство материи

Химия это наука, целью которой являются не только открытия, но и – главным образом – созидание. В этом смысле она является искусством по усложнению материи. Чтобы уловить логику последней эволюции в области химии, следует преодолеть временное пространство и вернуться назад на почти четыре миллиарда лет.

Жан-Мари Лен

Химия играет центральную роль как за счет своего места среди естественных и познавательных наук, так и за счет своей экономической значимости и повсеместного присутствия в нашей обыденной жизни. Поскольку она везде и всюду, то о ней часто забывают и, возможно, вскоре и вовсе перестанут упоминать. Она не стремится на авансцену, однако без нее были бы не возможны многие яркие достижения: подвиги в области терапии, отважные шаги космонавтики, чудеса техники. .. Она вносит определяющий вклад в потребности человечества в продуктах питания и лекарствах, одежде и жилье, энергии и сырье, транспорте и средствах коммуникации. Она поставляет материал для физики и промышленности, образцы и субстраты для биологии и фармакологии, свойства и процессы для науки и техники.

Мир без химии был бы миром без синтетических материалов, то есть без телефона, без компьютера, без кино и без синтетических тканей. Это был бы мир без аспирина, мыла, шампуня, зубной пасты, косметики, противозачаточных средств, без бумаги, то есть без книг и газет, без клея, без краски…

Не будем забывать и о том, что химия позволяет историкам искусства проникнуть в тайны изготовления картин и скульптур, которыми мы наслаждаемся в музеях, что она позволяет сотрудникам научной полиции анализировать образцы частиц с «места преступления» и быстрее выйти на след преступников, и что именно она раскрывает молекулярные тонкости блюд, которые обволакивают наши вкусовые рецепторы.

Наряду с физикой, которая раскрывает законы Вселенной, и биологии, которая расшифровывает правила всего живого, химия является наукой материи и ее трансформаций. Жизнь есть ее самое высшее выражение. Она играет основополагающую роль в нашем понимании материальных явлений, в нашей способности воздействовать на них, менять их и контролировать.

Вот уже скоро два века, как молекулярная химия выстроила широкий спектр молекул и все более и более совершенных материй. От синтеза мочевины, произведенного в 1928 г. (что стало настоящей революцией ибо было доказано, что возможно получение «органической» молекулы из минерала) до завершения в 1970-е годы синтеза витамина В12, эта научная дисциплина постоянно утверждала свою власть над структурами и трансформацией материи.

Молекула как Троянский конь

За пределами молекулярной химии простирается область так называемой супрамолекулярной химии, которая интересуется уже не тем, что происходит в молекулах, а тем, что происходит между ними. Ее цель понять и контролировать процесс взаимодействия молекул между собой, их взаимной трансформации, сцепления в определенном порядке. Эмиль Фишер, лауреат Нобелевской премии по химии 1902 г. , использовал образ ключа и замочной скважины. Сегодня мы говорим о «молекулярном распознавании».

Роль этих молекулярных взаимодействий наиболее впечатляюща в области биологии: частицы протеинов соединяются, чтобы сформировать гемоглобин; белые тельца распознают и уничтожают чуждые тела; вирус СПИДа находит определенное место для внедрения; генетический код передается в записи и через прочтение алфавита базы протеинов… Возьмем один показательный пример «самоорганизации» вируса мозаики табака: не менее 2 130 простых протеинов соединяются для того, что образовать спиральную башню.

Эффективность и элегантность этих природных явлений настолько увлекательны для химика, что он пытается воспроизвести или же изобрести новый процесс образования молекул, способных создавать новые молекулярные построения с множественными применениями. Почему бы не представить себе молекулы, способные переносить в ядро избранной цели фрагменты АДН, например, для лечения генетических заболеваний? Эти молекулы могли бы стать Троянским конем, который позволял бы своему всаднику преодолевать такие непреодолимые преграды, как клеточные мембраны.

Многие ученые во всем мире терпеливо и, я бы сказал, «по меркам» выстраивают супрамолекулярные структуры. Они наблюдают за тем, как молекулы, казалось бы, перемешанные в беспорядке, находят одна другую, распознают друг друга и затем поступательно связываются между собой, чтобы в итоге спонтанно, но в то же время исключительно четко, возвести супрамолекулярное строение.

Так, у химиков, вдохновленных явлениями, которые нам демонстрирует сама природа, зародилась идея вызвать, а затем пилотировать появление супрамолекулярных соединений, иначе говоря смоделировать «молекулярное программирование». Химик создает основные кирпичики (молекулы, наделенные определенными структурными свойствами и способностью к взаимодействию), затем применяет «цемент» (код соединения), призванный связать их между собой. Таким образом он получает супер структуру путем самоорганизации. Синтез молекулярных кирпичиков, способных к самоорганизации, намного проще, чем синтез финального сооружения. Этот путь исследований открывает широкие перспективы, в частности, в области нанотехнологий: вместо того, чтобы создавать наноструктуры, надо дать наноструктурам самим образовываться путем самоорганизации, то есть надо перейти от производства к самопроизводству.

И уже совсем недавно появилась так называемая адаптативная химия, когда система в целях построения сама совершает селекцию среди свободных кирпичиков и становится способной адаптировать соединение этих объектов в зависимости от требований центра. Эта химия, которую сам я называю «динамичной конституциональной химией», уже приобретает окраску теории Дарвина!

От материи к жизни

Вначале был «Большой взрыв», и воцарилась физика. Затем, при более благоприятных температурах, пришла химия. Частицы образовывали атомы, которые соединялись в молекулы, становившиеся все более и более сложными; они, в свою очередь, соединялись в скопления и мембраны, дав жизнь первым клеткам, из которых и родилась жизнь на нашей планете 3,8 миллиардов лет назад.

От разделенной материи к конденсированной, а затем и организованной, живой и мыслящей… Становление Вселенной под влиянием информации вело эволюцию материи к возрастанию числа сложных соединений путем самоорганизации. Задача химии познать пути этой самоорганизации и проложить пути перехода от инертной материи через дожизненную, чисто химическую, эволюцию к зародышу жизни и затем к живой и, наконец, к мыслящей материи. Она также дает средства для познания прошлого, для изучения настоящего и возводит мосты, ведущие в будущее.

Своим предметом (молекула и материя) химия выражает свою созидательную силу и свою способность производить новые молекулы и материи: новые, поскольку они не существовали до того, как были созданы путем преобразования структур атомов в новые комбинации и ранее не существовавшие, бесконечно разнообразные структуры. За счет пластичности форм и функций химических объектов химия аналогична искусству. Как и художник, химик отражает в материи плоды своего воображения. Камень, звуки, слова становятся произведением искусства только под воздействием скульптора, композитора или писателя. Таким же образом химик создает оригинальные молекулы, новые материалы и неведомые до сих пор свойства из элементов, составляющих материю.

Сущность химии не только в открытии, но и в изобретении и особенно – в созидании. Книгу Химии следует не только читать, ее надо писать. Нотную партитуру Химии следует не только исполнять, ее надо сочинять.

Школа для поступающих в магистратуру «ХИМИЯ БУДУЩЕГО

Cookie-файлы

Этот сайт использует файлы cookie. Собранная при помощи cookie информация не может идентифицировать вас, однако может помочь нам улучшить работу нашего сайта. Продолжая использовать сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie.

Хорошо

Подробнее

Медиа-центр

Календарь мероприятий

Школа для поступающих в магистратуру «ХИМИЯ БУДУЩЕГО — СЕГОДНЯ»

Мероприятие прошло

22 — 26 апреля 2019

Место проведения

г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6

Направление:

Образование,

Жизнь РУДН

Поднаправление:

Химия,

Образование

Формат:
Семинар

Организатор:
Факультет физико-математических и естественных наук

Тип:
Университетский

Контактное лицо

Леонид Геннадьевич Воскресенский

+7 (495) 955-07-29

lvoskressensky@sci. pfu.edu.ru

О мероприятии

Цель мероприятия — объединение студентов-исследователей и помощь им в расширении своего кругозора и углублении знаний и навыков в области органической, неорганической и физической и коллоидной химий с перспективами дальнейшего поступления в магистратуру РУДН.

На мероприятие расскажут о результатах исследований в области физической, органической и неорганической химии, а также произойдет обмен опытом с учеными вузов, научных школ и центров Российской Федерации и стран дальнего и ближнего зарубежья.

Сотрудники кафедры презентуют магистерские программы факультета физико-математических и естественных наук.

Школа имеет большое значение для всех участников, которые не только представляют результаты своей научной работы, но и приобретают возможность непосредственного живого общения с преподавателями и научными сотрудниками РУДН и других организаций.

Участники школы:

Студенты, аспиранты, учёные из ВУЗов России и зарубежья. В работе школы примут участие крупные учёные из Европы, Японии, Китая, Ирана и США, которые выступят с пленарными и ключевыми докладами.

Торжественное открытие — 22 апреля в 15:00 в Актовом зале главного корпуса РУДН (ул. Миклухо-Маклая, д.6)

Подведение итогов и торжественное закрытие — 26 апреля в 16:40 (ул. Орджоникидзе, д.3)

Предыдущее мероприятие

22 — 26 апреля

Дни культуры студентов из Туркменистана

Следующие мероприятие

22 апреля

Олимпиада по русскому языку — 1 тур

VI международная научная конференция «Успехи синтеза и комплексообразования»

Направление:

Химия

Формат:

Конференция

Организатор:

Объединенный институт химических исследований (ОИХИ)

Тип:

Международный

XXV международная конференция «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети: управление, вычисление, связь» (DCCN 2022)

Направление:

Математика и телекоммуникации

Поднаправление:

Дифференциальные уравнения

Формат:

Конференция

Организатор:

Российский университет дружбы народов

Тип:

Международный

Конкурс на лучшую учебную группу

Формат:

Конкурс

Организатор:

Департамент воспитательной работы со студентами

Тип:

Университетский

Смотр старост учебных групп

Формат:

Конкурс

Организатор:

Департамент воспитательной работы со студентами

Тип:

Университетский

За какими технологиями будущее современной химии рассказали ученые РХТУ в «Сириусе»

В Образовательном центре «Сириус» закончился мартовский цикл научно-популярных лекций по химии и химической технологии от ведущих ученых Менделеевского университета. Лекции прошли в рамках Международного года Периодической таблицы.

Первым перед одаренными школьниками выступил ректор РХТУ, доктор химических наук, профессор РАН Александр Мажуга. Он рассказал ребятам, как ученые создают модифицированные наноматериалы для борьбы с раковыми заболеваниями. Научная группа, в которую входит ректор Менделеевского университета, работает над созданием новых материалов для лечения рака.

«То, чем занимается моя научная группа, и ряд других ученых в России и за рубежом, – это создание носителей для лекарств, – отметил Александр Мажуга. – Идеальная картина выглядит так: лекарство загружается внутрь контейнера, вводится в организм, доставляется до определенного места, где и производится его ‘’высадка’’». Чтобы идеальная картинка стала реальностью, необходимо подобрать «правильные» материалы. Ими могут быть: липосомы, мицеллы, дендримеры, а также ряд наночастиц из оксидов металлов, золота.

Контейнер с лекарством должен содержать в себе четыре функции: доставку, визуализацию, сенсор и манипуляцию. Идеальный наноматериал невидим для иммунной системы, отличает опухоль от здоровой ткани, им можно внешне манипулировать – чтобы выпустить лекарство в нужном месте, а также наблюдать за его перемещениями в организме. Один из таких материалов – это магнитные наночастицы на основе оксидов железа. В медицине они используется для диагностики (МРТ) и в терапии (доставка лекарств, гипертермия, генная терапия).

«В нашей лаборатории мы развиваем методы получения наночастиц магнетита в качестве контрастных средств. Выбрали очень тяжелое заболевание – опухоль головного мозга, которую важно визуализировать на ранней стадии. Мы нанесли на наночастицу альбумин – это белок, составляющий до 60 % от общего количества белков плазмы крови. У нас получились маленькие агрегаты из магнитных наночастиц размером 40 нанометров. Сейчас мы проводим доклинические испытания и тестируем наши контрастные средства на разных этапах заболевания. Оказалось, что уже на второй день развития опухоли мы можем четко ее визуализировать», – рассказал ректор. Видеозапись лекции Александра Мажуги можно посмотреть по ссылке.

Следующую научно-популярную лекцию прочитал доцент кафедры биотехнологии Андрей Белодед. Он рассказал об антибиотиках. Антибиотики – это природные вещества или их производные, подавляющие рост и/или убивающие бактерии. Сейчас существует масса проблем, которая возникает во время их применения: аллергия, побочные эффекты, неблагоприятное воздействие на печень и гибель естественной микрофлоры. Но все они могут быть исключены, если была назначена подходящая терапия.

Другая проблема – резистентность или устойчивость к антибиотикам – остается с нами и приобретает все более глобальные масштабы. Заболевание, которое 15 лет назад успешно излечивалось с помощью антибиотиков, сейчас не поддается терапии. Связано это с тем, что от разработки одного антибиотика до его внедрения проходит около десяти лет, а резистентность может возникнуть уже за два года. Учёные нашей страны ежедневно трудятся над решением этих вызовов.

Доцент кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» Анна Макарова
назвала пять правил ответственного обращения с химией. Первое правило – живи в гармонии с миром. Второе правило – опасны не химические вещества, а наше незнание и безответственность. 2.0% смертности от всех заболеваний и 1.7% всех потерянных лет здоровой жизни (DALYs) обусловлены воздействием химических веществ и отравлениями на рабочих местах (= 1.2 миллиона смертей и 25 миллионов DALYs в 2004 году). Это сравнимо со смертностью от малярии, рака легких и туберкулеза. Но химическое вещество опасно только в том случае, если попало в организм. Таких путей всего три: через пищевод, через дыхательные пути и проникновение через кожные покровы.

Третье правило: знания – сила, знания – безопасность. Всегда нужно обращать внимание на маркировки, которые наносят на упаковки в магазинах. Это знаки опасности: для здоровья человека, для окружающей среды или физико-химические опасности. Четвертое правило – ответственное потребление. Например, множество химических веществ содержится в краске. Чтобы предотвратить их попадание в организм, стоит соблюдать правила безопасности: носить марлевую повязку и перчатки, проветривать комнату, не хранить банки с краской в жилом помещении. Пятое правило – мы в ответе за то, что получили и/или использовали. Химики создали двенадцать правил «зеленой» химии, которые могут удовлетворить потребности современного общества без вреда для потомков. Посмотреть их можно по ссылке.

Ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов Георгий Шахгильдян
рассказал о необычных применениях стекла. Сейчас в нашу жизнь активно входят биостекла. Они нашли применение в самых разных областях, от ортопедической хирургии до стоматологии. Существует метод лечения рака с использованием стекла. Радиоэмболизация – это терапия, суть которой состоит в облучении раковых клеток радиацией. Кроме того, стекло активно применяется в промышленности: стеклоткань, светоотражающие стеклошарики, пеностекло и жидкое стекло.

Сейчас на кафедре стекла РХТУ разрабатывают прозрачные ситаллы. Это материал, который выглядит как прозрачное стекло, но в его структуре есть выращенные нанокристаллы, которые придают ему прочность. Использовать ситаллы можно для решения проблемы низкой прочности экранов мобильных устройств. Ученые РХТУ хотят разработать такой материал, который можно вырабатывать в виде тонкой ленты с последующей ее нанокристаллизацией и созданием тонкой ситалловой структуры. Проектом заинтересовалась компания LG CHEM, входящая в мировой холдинг LG.

Предполагается, что лекции профессоров РХТУ для участников образовательных программ «Сириуса» пройдут на протяжении всего 2019 года. Школьникам прочитают лекции по основным направлениям научных исследований университета: «Химия для жизни», «Химическое производство будущего», «Геном материалов», «Зеленая химия».

Фото: ОЦ «Сириус»

Ученые предсказали будущее химических продуктов

Например, если автомобили все чаще будут оснащать электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания, изменится не только система привода: инфраструктура также претерпит значительные изменения. Используя различные сценарии, футурологи пытаются помочь компаниям подготовиться к гипотетическим изменениям и заранее разработать соответствующие стратегии.

Попытки найти ответ на ключевой вопрос «Что может оказать долгосрочное воздействие на специализированные химические компании?» дали старт проекту по изучению возможных сценариев будущего для специализированной химической промышленности. Ученые Evonik Industries AG разработали сценарии будущего для специализированных химических продуктов. Они будут использоваться для быстрого и целенаправленного внедрения инноваций, а также для оценки и обновления долгосрочных стратегий.

Ответы, представленные в пяти полученных сценариях, основаны на всестороннем сборе и анализе данных. В этих сценариях описываются возможные международные события до 2040 года, которые вполне правдоподобны, но в некоторых случаях противоречивы. «Цифровые чемпионы», «Китайская мечта», «Обманчивое спокойствие», «Бурные времена», «Парадигма устойчивого развития» — сами названия указывают на тенденции.

— Теперь у нас много данных, которые помогут понять и проанализировать соответствующие в мире тенденции. Наши сценарии могут стать реальностью, но это не обязательно — тем не менее они являются хорошо проработанной научной фантастикой, — полагает заместитель председателя и члена правления компании Evonik, ответственный за инновации, Харальд Швагер (Harald Schwager).

Для Швагера сочетание совершенных инноваций и близости к клиенту является ключевым фактором успеха и двигателем роста прибыли. По его словам, результаты проекта со сценариями будущего теперь предоставляют в распоряжение компании уникальный стратегический инструмент. Он поможет примерить сегодняшние инновационные идеи к потенциальным условиям завтрашнего дня. «Кроме того, он нацелен не только на разработку продуктов, но и на участие в создании новых бизнес-моделей и стратегий эффективности», — добавил Швагер.

Группа долгосрочного корпоративного прогнозирования компании Evonik потратила двенадцать месяцев на разработку основы для своих сценариев: были опрошены более 100 экспертов в области химии, политики и экономики, как работающих в компании, так и сторонних. Также использовалась информация из других источников, таких как международные футурологические конгрессы (более 15) и исследования. Эксперты проделали кропотливую работу по выявлению и анализу ключевых факторов и их влияния, экстраполяции потенциальных событий и объединению их в правдоподобные, последовательные сценарии.

Инновации в химии ориентированы на растущие рынки, в частности, эффективное использование ресурсов

Теперь у компании есть пять сценариев будущего, которые могут быть актуальны для компании как в среднесрочной, так и в долгосрочной перспективе. Так, в сценарии «Цифровые чемпионы» крупные интернет-компании с их знаниями и уникальным мышлением все больше выигрывают от цепочки создания стоимости традиционных отраслей промышленности. «Парадигма устойчивого развития» описывает случай, когда рациональное использование ресурсов становится главным принципом экономики. В сценарии «Китайская мечта» Китай становится технологической, экономической и политической супердержавой. Национализм, фейковые новости и популистские силы приводят к длительному процессу деглобализации в сценарии «Неспокойные времена». Будущее в сценарии «Обманчивое спокойствие» — это мир, где поддержание статус-кво возведено в ранг наиважнейшей задачи, так как проблемы нарастают до такой степени, что система может рухнуть.

Директор по инновациям компании Evonik Ульрих Кюстхардт (Ulrich Kuesthardt) видит большие возможности в многогранном характере будущих сценариев: «Сейчас мы начинаем использовать результаты сценариев будущего для наших инновационных процессов и стратегий». Планы предусматривают проведение семинаров, на которых участники проанализируют влияние сценариев на такие вопросы, как инновационная среда, бизнес-модели и ожидания клиентов, а также условия труда и движения материалов. В дополнение к этому подразделения и даже целые региональные структуры компании Evonik будут использовать сценарии для проверки надежности существующих стратегий, их дальнейшей доработки, если это необходимо, и планирования новых стратегий.

— Мы осваиваем дополнительные стратегии для максимизации количества инноваций, — объясняет Кюстхардт сложившуюся ситуацию. — Инновации уже прочно закрепились в нашей корпоративной стратегии и неизменно ориентированы на растущие рынки, такие как здоровье, питание и эффективность использования ресурсов.

Evonik делает акцент на шести направлениях инновационного роста: экологичное питание, решения в области медицины, передовые пищевые ингредиенты, мембраны, косметические решения и производство добавок. Запланированные компанией инновации в этих областях нацелены на то, чтобы к 2025 году увеличить объем продаж на 1 миллиард евро.

Первоначальные усилия уже привели к успеху: в 2018 году компания Evonik достигла продаж в этих растущих областях более чем на 250 миллионов евро. Общие расходы на научные исследования и разработки (НИОКР) в этом году были на уровне предыдущего периода и составили 459 миллионов евро.

Сочетание совершенных инноваций и близости к клиенту является ключевым фактором успеха

— Мы движемся в правильном направлении, но хотим повысить эффективность и сфокусированность на наших целях, — подчеркнул Харальд Швагер. — Наши идеи должны доноситься до клиентов быстро и в виде идеально подходящих им решений. В то же время мы не можем упускать из виду долгосрочную перспективу.

Справка «РГ»

Evonik является одним из мировых лидеров по производству продуктов специальной химии. Высокопрофессиональное ведение бизнеса, клиентоориентированный подход, инновации, а также доверительная, ориентированная на результат корпоративная культура, являются основой корпоративной стратегии компании. Все это способствует ее устойчивому росту и повышению капитализации. Близость к клиенту и деятельность в лидирующих отраслях промышленности — основные преимущества Evonik.

Evonik представлена в более чем 100 странах мира. В 2018 финансовом году объемы продаж компании, в которой работают более 36 тысяч сотрудников, составили 15 миллиардов евро, при этом прибыль от основной деятельности (скорректированная EBITDA) составила около 2,6 миллиарда евро.

Будущее химии: горизонты науки и химия означает бизнес | RSC

Сотни ученых внесли свой вклад в отчет Королевского химического общества «Горизонты науки», чтобы составить представление о проблемах и возможностях, которые принесет следующее поколение

Источник: © RSC Выставка RSC Chemistry Means Business пройдет в Лондоне 28–29 октября. На предстоящем мероприятии Chemistry Means Business в Лондоне делегаты увидят, как современные стартапы заполняют пробелы в инновациях, о которых сообщает Science Horizons.

Отчет RSC показал, что ученые-химики сосредоточены как на проблемах, вызывающих движения потребителей, таких как одноразовые пластмассы и выбросы углерода, так и на инновациях в области здравоохранения, использующих синтетическую биологию и сложный органический синтез, жизненно важные для новых решений. Дейдра Блэк, руководитель отдела исследований и инноваций RSC, собирается поделиться своими мыслями о том, как в отчете раскрываются «научные достижения и передовые технологии», в своем программном выступлении на мероприятии 28–29 октября.

«Ученые-химики, работающие в сотрудничестве с другими научными и инженерными дисциплинами и с промышленностью, глубоко привержены разработке решений глобальных проблем, от энергетики и урбанизации до окружающей среды и здоровья человека, — говорит Блэк. А на сессии, следующей за основным докладом Блэка, ряд компаний, вошедших в шорт-лист конкурса RSC Emerging Technologies, продемонстрируют, как эта культура проявляется в стартапах по всей Европе.

Загрузить отчет сейчас

Сложные молекулы из простых строительных блоков

Работа в области сложного органического синтеза — возможно, одной из самых сложных областей научных достижений на сегодняшний день и ключевой темы отчета — это асимметричные реакции Судзуки (ASR).

«Все факторы, определяющие успех молекулы лекарства — то, как она взаимодействует с мишенью болезни, как она ведет себя в организме и ее токсичность, — могут быть связаны с ее основной молекулярной структурой: связями между атомами. которые составляют молекулу, говорит Сара Морроу, генеральный директор и соучредитель ASR.

‘Похоже, что сложные молекулярные структуры обладают одними из наиболее желательных свойств для разработки и успеха лекарств. Однако методов доступа к этим сложным молекулярным архитектурам очень мало, и фармацевтическая промышленность ищет инновации в синтетической химии, которые позволят им получить доступ к этим молекулам», — добавляет она.

На основе катализа металлов компания ASR разработала инновационную технологию для создания сложных молекул из простых строительных блоков. Эта технология значительно улучшит поиск новых лекарств и улучшит производство известных лекарств. Это уже было продемонстрировано тремя различными путями к нирапарибу, молекуле лекарственного средства, одобренной для лечения некоторых видов рака.

Подводное плавание с аквалангом в мире стволовых клеток «системы, которые автономно взаимодействуют с живыми системами» или инновации, которые «вводят новые каталитические функции в клетки человека», синтетическая биология стала захватывающей областью развития во время программы семинаров для отчета «Горизонты науки», в котором приняли участие более 240 участников.

На мероприятии также будет продемонстрировано взаимодействие дочерней компании CytoSeek Бристольского университета с этой ключевой областью терапии. Опираясь на модификацию встречающихся в природе белков, липидные хвосты поверхностно-активного покрытия белка закрепляют его практически на любой клеточной мембране и сами могут иметь функцию — как система миоглобина, которая доставляет кислород. Также могут быть созданы слитые белки, которые позволяют встраивать пептиды, белки и ферменты.

Возможность улучшить CAR-T и клеточную терапию для солидных опухолей, тот факт, что данные Всемирной организации здравоохранения показывают, что солидные опухоли составляют более 85% всех опухолей, говорит главный операционный директор CytoSeek Бен Картер, является значительным достижением.

Способность белка оставаться насыщенным кислородом является ключевой, поскольку он остается живым достаточно долго, чтобы выполнять свою функцию заживления в целевом участке. Вот почему команда Картера назвала их аквалангами.

‘Недостаток кислорода в солидных опухолях вызывает изменение их метаболизма и увеличение размеров. Они также могут начать высвобождать иммуносупрессивные факторы, которые мешают работе иммунных клеток», — говорит Картер. Инновация уже была продемонстрирована в терапии тканей после сердечного приступа и в терапии хрящевых клеток, где инъецированные клетки с большей вероятностью пойдут по назначению. «В модели на животных CytoSeek показал удвоение количества клеток, достигающих целевого участка», — добавляет Картер.

Микропластик из растительного белка

Это правда, что отношение потребителей к пластиковым отходам и изменения в законодательстве разрушают рынки пластмасс и создают возможности, но рост того, что в отчете Science Horizons называется химической экологией, вдохновляет научное сообщество на инновации. Выбор растительных белков вместо полисахаридов для разработки альтернативы микропластику — это то, что отличает один стартап из Кембриджа, Великобритания.

«За последние 20 лет было проведено много исследований таких крахмалов, как водоросли, и появились продукты, которые мы считаем натуральными и которые не полностью основаны на ископаемом топливе. Для обеспечения производительности им нужны химические сшивающие агенты», — объясняет генеральный директор Xampla Саймон Хомберсли.

‘Более 10 лет мы разработали растительный белок в прочную полезную структуру без перекрестных связей. Он нерастворим, но легко усваивается — это означает, что его можно использовать в косметике, шампунях и повседневных моющих средствах, а затем разлагать микробами в конце срока службы», — добавляет он.

В связи с тем, что ЕС объявил о своем запрете на микропластик в этом году, и давление со стороны его племянницы с целью бойкотировать сеть ресторанов быстрого питания за использование пластиковых соломинок, Хомберсли считает, что время пришло. А у дочерней компании Кембриджского университета есть продукт, финансируемый клиентами, готовый к запуску в 2020 году.

Chemistry Means Business, 28–29 октября в конференц-центре QEII, Лондон

Вот уже пятый год, как Chemistry Means Business объединяет лидеров отрасли химических наук, академических предпринимателей и ключевых игроков в области инноваций.

Будут семинары, выступления докладчиков и объявление победителя конкурса RSC «Новые технологии 2019».

Зарегистрируйтесь здесь

Решение для пищевых отходов всегда под рукой

Источник: © Mimica 

Mimica Touch поможет нам сохранить большую часть продуктов, которые мы отправляем в мусорное ведро раньше срока

Основатель и директор Mimica Сольвейга Пакштайте стремилась остановить растущий уровень ожирения и диабет среди слепых и слабовидящих для образовательного дизайнерского проекта, который вдохновил Mimica Touch — этикетку с истекшим сроком годности, которая активируется при открытии. Но изобретение Пакштайте, позволяющее сообщать о вероятности истечения срока годности продуктов одним лишь прикосновением и предоставляющее слепым и слабовидящим потребителям больше свободы выбора свежих продуктов, избавляет всех от догадок, связанных с очисткой кладовой.

Давно пора, учитывая, что производство продуктов питания остается одним из приоритетов мировых лидеров и новаторов. Будь то обеспечение точной маркировки пищевых продуктов, их защита от загрязняющих веществ или обеспечение того, чтобы у нас было достаточно продуктов, чтобы прокормить растущее население в условиях часто угрожаемых урожаев, ограничение потоков отходов может снизить нагрузку на потоки поставок и заставить продукты питания идти дальше.

Изобретение Пакштайте основано на геле, расположенном на внешней упаковке продукта, и сочетает в себе способность контролировать среду, в которой находится продукт, со встроенными знаниями о том, как определенные продукты разлагаются в этих средах. Гель становится неровным на ощупь, когда он подвергается воздействию условий, вызывающих выдох.

По оценкам британской ассоциации Food Recycling Action Plan (Wrap), 60% продуктов, которые мы выбрасываем, остаются съедобными, технология Mimica обладает огромным потенциалом для изменения потребительских привычек. Теперь команда Mimica, состоящая из 12 человек, занимается исследованиями и разработками в лабораториях университетов в Рексхэме и Честере и в настоящее время налаживает свой первый производственный цикл с инновационным набором, который будет использоваться на упаковке сока и молока с 2020 года.

Персонализированная точная медицина

Rubynanomed является дочерним предприятием Международной иберийской лаборатории нанотехнологий в Португалии. Устройство компании, названное Руби в память о подруге компании, которая не пережила рак, способно улавливать раковые клетки, циркулирующие в 7,5 мл образца крови больного раком.

«Это как найти иголку в стоге сена», — говорит технический директор компании Сара Абальде-Села. «Помимо предоставления информации о количестве ячеек, эта технология способна информировать о типах ячеек. Возможность определить количество клеток в циркуляции помогает прогнозу. Знание того, прогрессирует ли рак или состояние пациента улучшается, дает медицинским работникам доступ в режиме реального времени к отзывам о результатах лечения.

Больные клетки могут покидать первичную опухоль и попадать в кровоток. Когда они достигают вторичного метастазирования в орган — происходит развитие вторичных злокачественных новообразований на расстоянии от первичного рака.

Источник: © Предоставлено Rubynanomed

Rubynanomed показывает прогрессирование или регрессию рака в режиме реального времени поведение клеток, действующих в организме больного. Его можно проводить регулярно, он неинвазивен, и Абальде-Села оценивает его стоимость в 300 евро, что составляет небольшую часть от 1500 евро за МРТ.

В качестве медицинского инструмента, находящегося в настоящее время на клиническом рассмотрении – с 90, а также 30 пациентов с диагнозом колоректальный рак, рак простаты и меланома, соответственно, из Испании и Португалии, где базируется компания. В этой когорте устройство уже выявило изменения в подтипах рака у пациентов с момента первой биопсии. Это означает, что их врачам была предоставлена ​​информация, которая может немедленно изменить курс лечения пациента.

Описание инноваций всех номинантов конкурса RSC «Новые технологии 2019» доступно в программе мероприятия. Химия значит бизнес проходит с 28 по 29Октябрь в конференц-центре QEII в Лондоне.

Среди выступающих: директор отдела химинформатики Сара Трайс из Merck KGaA, Пол Дженкинс, директор по исследованиям в Unilever, и Дэвид Фриман, директор по исследованиям и технологиям в Croda. Доступен полный список спикеров, и вы можете зарегистрироваться здесь.

Каково будущее химии? [Искусственный интеллект в науке]

Все проснулись утром с привидениями
на вопрос «насколько актуально то, чем я буду заниматься в будущем?». В случае
химиков, всем нам интересно что такое
будущее химии иногда.

Ответ на этот вопрос особенно
актуально для подрастающего поколения. Смогу ли я найти работу через 20 лет
делать именно то, что я делаю сейчас? Сосредотачиваюсь ли я на отрасли науки, которая будет
важно через пару десятков лет?

Пока невозможно предсказать будущее химии. Однако представляется весьма вероятным, что любая область науки значительно изменится благодаря достижениям в области искусственного интеллекта 9 .0129 .

Искусственный интеллект. Кредит Getty Images через BBC

И этого, скорее всего, не избежать.
Компьютеры и роботы никуда не денутся, и они только улучшаются. Но
насколько лучше они могут стать в нашей жизни?

1 Искусственный интеллект и машинное обучение

2 Как ИИ может определить будущее химии?

3 Будущее химии сегодня

4 Параметризация и предсказание

4.1 Целостные предсказания энантиоселективности

5 Машинное обучение для прогнозирования химических реакций

5.1 Изучение влияния добавок с помощью машинного обучения

5. 2 Обучение компьютеров фторированию

6 Собираются ли роботы занять наши рабочие места?

7 Химия будущего: объединение планирования ИИ с роботизированным синтезом

8 Будущее химии: открытия, поддерживаемые химическими роботами

9 Компьютерный полный синтез сложных натуральных продуктов

9.1 Первые шаги в области химии натуральных продуктов будущего

Искусственный интеллект и машинное обучение

Вероятно, одна из крупнейших революций в
наука – это появление компьютеров. Что-то, что сегодня мы принимаем за
безусловно, увеличил скорость научных открытий за последние десятилетия.

Сегодня мы почти не можем представить синтетическую химию без таких инструментов, как SciFinder или Reaxys. Но как скоро вы сможете ввести молекулу, которую никогда раньше не производили, в поле поиска, и вы получите именно те шаги, которые вам нужно предпринять, чтобы создать ее в лаборатории? Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение могут стоять за этим в будущем химии.

Если вы не знакомы с этими терминами, возьмите два
минут, чтобы посмотреть видео ниже:

Вы можете научить компьютер различать
кошка от собаки.

Использование ИИ для решения этой задачи не очень
полезно, так как люди уже довольно хороши в этом. Однако, когда дело доходит до
анализируя сотни или тысячи точек данных одновременно, люди
значительно уступает компьютерам.

И, в некотором смысле, химия многое говорит об этом .

Как будущее химии может быть определено искусственным интеллектом?

Если вы хотите оптимизировать новый шаг синтеза,
или свойства нового материала, что вы обычно делаете?

Погрузитесь в SciFinder, загрузите пару
обзоров и 10 научных работ, пролистнуть схемы, а оттуда,
экстраполируйте условия, которые вы хотите проверить в лаборатории.

С точки зрения ИИ, это
процедура крайне примитивна, если не сказать больше. И все же это то, что >90%
химиков-экспериментаторов (таких как я) делают ежедневно. И компьютеры в конце концов
быть лучше в этом, без сомнения.

Очевидно, присутствует значительный творческий компонент
исследовательских работ. Идентификация или работа с неизвестными результатами. В начале
этап искусственного интеллекта и машинного обучения, на котором мы находимся, люди все еще превосходят
машины. Трудно сказать, как долго он будет оставаться таким. Честно говоря, я бы
удивлюсь, если на это ушло более 10–15 лет.

Будущее химии сегодня

ИИ существует уже несколько десятилетий. Получающий
лучше и лучше с каждым днем.

Компьютерный химический синтез впервые был предложен Э. Дж. Кори еще в 1985 году, когда он сообщил в Science об очень простой системе для синтетического анализа в органической химии. Это было за 5 лет до присуждения ему Нобелевской премии, в 1990 году, но до недавнего времени не было больших исследований в области химии такого рода.

Однако в последние пару лет взрыв компьютерной химии только начинается. Это было прокомментировано Ф. Пейретти и Дж. М. Брюнелем в 2018 году, но даже с того дня свет увидели многие более поздние работы. Это действительно может определить будущее химии.

Некоторые из ключевых игроков в этом подходе — Эбигейл.
Дойл, Мэтт Сигман, Ли Кронин или команда Массачусетского технологического института во главе с Тимоти Джеймисоном и
Клавс Йенсен. Мы постараемся сделать краткий обзор некоторых из самых последних лет.

Заранее приносим извинения, если что-то упустили
важная работа. Это не претендует на то, чтобы быть всесторонним обзором, а скорее
просто набор некоторых примеров, иллюстрирующих идею.

Параметризация и предсказание

Исследовательская группа под руководством Мэтью Сигмана в
Университет Юты имеет множество совместных проектов, основанных на параметризации.
и предсказание.

Этот метод основан на применении прогнозирующего статистического анализа к химическим реакциям. Они отходят от расчетов ММ и DFT к абстрактным свойствам или параметрам лигандов или катализа. Затем они проводят статистику, сравнивая эти параметры с экспериментальными результатами, полученными с каждым лигандом или катализатором. Они придумывают модели, которые позволяют предсказать, как поведут себя другие лиганды, катализаторы или субстраты.

Видимо работает!

Недавним примером является сотрудничество с Марком Биско, в котором они показывают, как параметризация лиганда позволяет находить лучшие лиганды для выполнения энантиодивергентного (вы можете выбрать нужный энантиомер в качестве продукта, просто настроив лиганд) Pd-катализируемый C–C реакция кросс-сочетания.

Модели прогнозирования энантиодивергентных кросс-сочетаний C-C. Кредит Сигману, Биско и его коллегам через Science DOI: 10.1126/science.aat2299

Целостные предсказания энантиоселективности

асимметрический катализ.

Как мы уже говорили во введении, большая часть
работа химика-синтетика состоит в том, чтобы просмотреть литературу, чтобы выбрать какую-либо реакцию
Условия тестирования на новом субстрате. Это явно та работа, которую
хорошо запрограммированный компьютер должен работать лучше, чем человек, особенно когда
доступны сотни или тысячи возможных условий.

Это область, в которой Сигман является первооткрывателем, и благодаря их усилиям уже появились удивительные тенденции, которые позволяют делать очень важные прогнозы.

Целостный прогноз энантиоселективных добавок. Кредит Зигману и его коллегам, через Nature DOI: 10.1038/s41586-019-1384-z

Многие говорят, что статистика, ИИ и машинное обучение могут стать будущим химии.

Машинное обучение для
Прогнозирование химических реакций

Как объясняет группа Дойла на своем веб-сайте, машинное обучение (которое в основном представляет собой статистику и информатику) может быть инструментом, который решит проблемы многомерности (что делает сложные проблемы невозможными для анализа людьми), присущие химическим веществам. реактивность и строение.

В начале 2018 года Дойл сообщил в Science о совместной работе с Merck, в ходе которой они разработали химическую модель, основанную на машинном обучении. Они использовали модель случайного леса , чтобы предсказать результат реакций кросс-сочетания C-N.

Изучение влияния добавки с помощью машинного обучения

В основном они изучали влияние добавки (семейство изоксазолов) на одну из самых полезных реакций — аминирование Бухвальда-Хартвига.

Pd-катализируемое кросс-сочетание C–N с изоксазолами в качестве добавок. Кредит Дойлу и его коллегам через Science DOI: 10.1126/science.aar5169

Набор из 15 различных изоксазолов использовался в качестве «тренировочного набора» (для получения линейных регрессий), а затем еще 8 из них использовались как « набор тестов». Некоторые примеры показаны ниже вместе с соответствующими регрессиями. Как видите, данные, полученные с помощью тестового набора, хорошо коррелируют с «обучающей регрессией». Это означает, что достигнут хороший уровень предсказания.

Обучение компьютера предсказанию выхода реакции и оценка предсказаний. Кредит Дойлу и его коллегам через Science DOI: 10. 1126/science.aar5169

Обучение компьютеров тому, как делать фторирование

Аналогичная концепция была описана позже в том же году той же группой, в которой удивительная комбинация HTS (высокая производительность скрининг) эксперименты и машинное обучение позволили разработать прогностическую модель фторирования спиртов с помощью PyFluor. Это привело к значительному расширению области, о которой ранее сообщали Дойл и его коллеги.

Слева схематический пример типа
Отображается запуск экспериментов HTS, показывающий, как изменяется источник фтора.
и основание сильно влияют на выход реакции.

На правом графике показаны все результаты наблюдаемой урожайности по сравнению с прогнозируемой доходностью . Получаются очень хорошие корреляции.

Прогностическая модель фторирования. Кредит Дойлу и его коллегам через J. Am. хим. соц. DOI: 10.1021/jacs.8b01523

Собираются ли роботы занять наши рабочие места?

Если под «нашими работами» вы подразумеваете
исключительно техническая лаборатория работаю химиком, ответ скорее всего.

Но не поймите меня неправильно, я ничто
но с оптимизмом смотрит в будущее химии. Нам необходимо использовать такие инструменты, как
ИИ или робототехника. Они здесь, чтобы освободить нас от самой скучной рутинной части жизни.
исследования, поэтому мы можем сосредоточиться на творчестве для решения важных проблем.

По этому конкретному вопросу несколько
исследовательские группы работали над проектированием
и создание химического робота .

Химия будущего: объединение планирования ИИ с роботизированным синтезом

Тимоти Ф. Джемисон и Клавс Ф.
Дженсен с химического факультета Массачусетского института
Технология (MIT).

В 2018 году они представили в Science свою первую версию робота для химического синтеза. Основной идеей этой машины является сложная система проточного химии, управляемая программным обеспечением, которое позволяет оптимизировать несколько переменных. Таким образом, вы можете буквально ввести параметры, которые хотите оптимизировать, загрузить реагенты и дождаться завершения оптимизации. Тогда в считанные дни объем вашей трансформации также будет выполнен.

Так выглядит этот синтезирующий робот:

Автоматизированная система оптимизации потока. Кредит Дженсену, Джеймисону и коллегам через Science DOI: 10.1126/science.aat0650

Перенесемся вперед только на один год, и этот зверь находится там, где они есть:

Синтезированный робот, основанный на планировании ИИ. Кредит Джеймисону, Дженсену и их коллегам через Science DOI: 10.1126/science.aax1566

Та же команда Массачусетского технологического института пару дней назад опубликовала версию этого химического робота совершенно нового поколения.

Теперь речь идет не только о химическом
оптимизация. Синтетическая система полностью интегрирована с планированием ИИ.
программного обеспечения.

Это программное обеспечение ИИ основано на том, что мы
обсуждение на протяжении всей статьи: взятие точек данных из тысяч
публикуемые реакции, скармливая их сложным алгоритмам и получая оптимальные
пути синтеза нового или соответствующего целевого соединения.

Можно себе представить, что
третье поколение этой системы может даже выдвинуть свои собственные идеи о том, что
синтезировать. Кто знает, как далеко мы от этого…

Будущее химии: открытия при поддержке химических роботов

Последний пример в основном основан
на системах проточной химии. Но некоторые реакции не подходят для протекания.
Традиционный органический синтез в лабораторных масштабах — это то, чем занимается группа Кронин.
хотел «оцифровать».

Лерой Кронин и его коллеги опубликовали в 2018 году свои взгляды на то, как мы можем использовать алгоритмы для помощи в исследованиях с помощью химических роботов. Вскоре после этого, в начале 2019 года, эта группа, работающая в Университете Глазго, сообщила о некоторых своих усилиях по созданию такого робота.

«Химпьютер» Кронина — модульный
роботизированная платформа, позволяющая выполнять четыре основных этапа органического
химия: реакция, обработка, выделение и очистка.

Для этого он оснащен
насосы, реакторы, системы фильтрации, автоматические делительные воронки, ротационный испаритель,
и, конечно же, программное обеспечение для управления всем процессом.

Следующее видео позволяет получить
представление о том, как работает эта система:

Эта новая система, основанная на «химическом
язык программирования» позволил синтезировать несколько важных с медицинской точки зрения
молекулы, такие как силденафил или руфинамид.

Компьютерный полный синтез сложных натуральных продуктов

Вы можете утверждать, что мишени, выбранные для тестирования
синтетические системы, описанные выше, не имеют очень высокой сложности. Типичный
синтетические проблемы натуральных продуктов, решаемые большими группами, гораздо более
испытывающий.

Но и в этом нам могут помочь компьютеры! Вопрос лишь в том, насколько хорошо мы можем интегрировать высокоуровневые вычисления на основе ДПФ с методами, описанными выше. Такого рода интеграция будет актуальна в будущем химии.

Примером такого предсказания является недавний синтез паспалина А и эминдола РВ Тимоти Ньюхаусом и его сотрудниками.

В этой работе авторы представили биосинтетический
подход к этим естественным структурам, и хотя из 3 возможных потенциальных
промежуточные продукты. Все эти 3 промежуточных продукта в принципе могли привести к желаемому результату.
натуральные продукты.

Но выбранный промежуточный продукт должен
циклизовать с соответствующей селективностью. В противном случае синтез
соответствующее промежуточное звено было бы напрасным (проблема, которую каждый
химик, работающий над синтезом натуральных продуктов).

Как вы можете видеть ниже, предложенные структуры
довольно похожи, было бы почти азартной игрой для человека, чтобы предсказать
результат каждой циклизации. Но структурные различия делают их сложными.
синтезировать из общего интермедиата.

Первые шаги в области химии натуральных продуктов будущего

Чтобы решить эту проблему, группа Ньюхауса предсказала с помощью расчета DFT , какой из трех циклов будет циклироваться так, как они хотели. Получив теоретический ответ, они приготовили только этот промежуточный предшественник (сэкономив 2/3 необходимых синтетических усилий). В итоге он повел себя так, как и предполагалось, и они завершили полный синтез.

Предлагаемые промежуточные продукты для полного синтеза паспалина А и эминдола РВ. Кредит Ньюхаусу и его коллегам через J. Am. хим. Soc DOI: 10.1021/jacs.8b13127 и ChemRxiv

До Ньюхауса группа Ричмонда Сарпонга и его сотрудников уже применяла подобную концепцию. В 2015 году они сообщили об использовании сетевого анализа для управления ретросинтезом очень сложных натуральных продуктов.

Группа Сарпонга итеративно применила сетевой анализ на ранних стадиях синтетического планирования вейзаконитина D и лильестрандинина, опубликовано в Природа . Это позволило придумать эффективное разъединение

Использование сетевого анализа для ретросинтеза. Кредит Сарпонгу и его коллегам через Nature DOI: 10.1038/nature16440

Еще недавно та же группа исследователей опубликовала в J. Am. хим. соц. полный синтез дитерпеноидного алкалоида аркутинидина.

Отключение аркутинидина на основе сетевого анализа. Кредит Сарпонгу и его коллегам через ChemRxiv и J. Am. хим. соц.

Этому синтезу также способствовал этот сетевой анализ, вдохновленный первоначальной работой, уже выполненной Э. Дж. Кори еще в 80-х годах.

Я хотел бы закончить этим последним набором примеров, потому что они являются отличной демонстрацией того, что, по моему мнению, было бы идеальным будущим ИИ и вычислений в органической химии.

“ Как ученые, ИИ должен не заменить нас, а скорее освободить нас от рутинных и скучных задач, позволяя нам сосредоточиться на том, что важно: решении более сложных и более важных задач ». Нажмите, чтобы твитнуть это

Я хотел бы услышать ваше мнение об искусственном интеллекте и компьютерах и о том, как они повлияют на то, как мы видим и подходим к химии (и науке в целом). Ведь будущее химии в наших руках.

Пишите в комментарии
разделы ниже!

Будущее химии Прорывы в химической технологии

По мере того, как химики, биологи, физики и другие ученые продолжают раскрывать секреты природы, поток фактов накапливается с ошеломляющей скоростью. Каждый ответ — новое начало — материал для новых опытов. Многие исследователи утверждают, что никогда еще не было более захватывающего времени для работы ученым. После того, как в прошлом веке было потрачено много усилий на поиск отдельных кусочков головоломки, теперь ученые могут наслаждаться процессом соединения кусочков вместе.

Не то, чтобы все было выяснено — далеко не всегда. Современная наука побуждает исследователей мыслить масштабно — объединять отдельные элементы и даже отдельные пути — в более масштабную схему того, что заставляет целые организмы работать с такой точностью.

Возможно, по иронии судьбы, по мере того, как наука становится все больше и шире в фокусе, некоторые из наиболее многообещающих инструментов для синтеза того, как, что и где в человеческой биологии, становятся чрезвычайно крошечными. Микромашины, крошечные биосенсоры и миниатюрные молекулярные реакционные сосуды, несомненно, станут стандартными предметами в наборе инструментов химика через 10 или 20 лет.

Раскрытие — и осмысление — генетических инструкций, которые определяют жизнь для таких разнообразных организмов, как мухи, растения, черви и люди, вызвало волнующую революцию. Каждую минуту каждого дня ученые во всем мире лихорадочно работают, создавая захватывающую историю о химии, лежащей в основе нашего здоровья.

Все это очень интересно, но прогресс требует еще больше работы.

Химические статьи и веб-сайты

Я ежедневно ищу в Интернете новые статьи со всего мира, которые интересуют меня или, я думаю, заинтересуют вас. Я надеюсь, что это сэкономит вам время или поможет студентам с их заданиями. В списке самые последние, начиная с 2005 года.

Химические веб-сайты

• Графен — чудо-материал, удостоенный Нобелевской премии. Graphyne может заменить его из Big Think

• Химический прорыв извлекает кислород из воды с помощью магнитов из New Atlas

• Химический прорыв предлагает беспрецедентный контроль над атомными связями из New Atlas

• Как выглядят молекулы? из Разговора

• Знаменитый ИИ научился новому трюку: как делать химию из «Разговора»

• Почему химики не могут отказаться от палладия из Nature

• Графен обычно стоит 200 000 долларов за тонну. Теперь ученые могут сделать это из мусора из Freethink

• Платформа с отрицательным выбросом углерода превращает отработанные газы в ценные химические вещества от ORNL

• Новый материал

  MIT прочнее стали и такой же легкий, как пластик от Freethink.

• Химики используют ДНК для создания самой маленькой в ​​мире антенны из Университета Монреаля.

• eLife опубликовал Open Chemistry: Что, если мы просто раздадим все?

• Расшифровка философского камня: как мы взломали 400-летний алхимический шифр из «Разговора»

• Являются ли нанокамеры будущим химических исследований? от АЗоНано

• Санат Кумар: новаторские полимеры, видео с инженерными идеями

• Сообщение SciTechDaily Исследователи зафиксировали разрыв одной химической связи

• Настоящий биоразлагаемый пластик Видео UC Berkeley

• В поисках сверхпроводников при комнатной температуре, не требующих сверхвысокого давления, видео из журнала Science Magazine

• Обсерватория образовательных инноваций разместила химическую лабораторию в TikTok

• News-Medical. Net опубликовал Что такое биофизическая химия?

• Кухонная химия от Instructables

• Захватывающий новый материал от Калифорнийского университета в Санта-Барбаре

• Стартап, превращающий человеческий прах в бриллианты от Freethink

• Взрыв кристалла ацетата натрия, видео

• Классификация веществ: элементы, соединения, смеси (химия) видео

• Инфракрасные камеры и искусственный интеллект дают представление о кипении от MIT News

• Руководство для начинающих по топологическим материалам от IEEE Spectrum

• Phys.org опубликовал сообщение Робот-химик предлагает взглянуть на происхождение жизни

• Исследователи превратили прозрачный кальцит в искусственное золото от EurekAlert

• Видео 5 типов химических реакций

• Размещено в Обсуждении Новый способ удаления солей и токсичных металлов из воды

• Новый носимый газовый датчик от The Chemical Engineer

• Наночастицы: сложный ритм химии от TU Wien

• Новая форма углерода от EurekAlert!

• Как химики строят линии молекулярной сборки из журнала Horizon

• Химия в картинках из C&EN

• Как металл с памятью изменит наше будущее на Mars Verge video

• Видео показывает образование кристаллов соли из отдельных атомов в журнале Science Alert

• Прорыв в области электроники Ноттингемского университета подробно описан в книге Эксперты по 3D-печати узнают, как создавать технологии завтрашнего дня с помощью графена, напечатанного струйной печатью

• Как искусственный интеллект и робототехника меняют химические исследования — тема этой длинной статьи TechTalks

  .

• На веб-сайте Министерства сельского хозяйства США размещена статья о прозрачном древесном материале, который может стать окном завтрашнего дня. Исследователи обнаружили, что прозрачная древесина может превзойти стекло, используемое в настоящее время в строительстве, практически во всех отношениях.

• Ученые совершают цифровой прорыв в химии, который может произвести революцию в фармацевтической промышленности — статья из CNBC

• Обнаружен первый в мире высокоэффективный термоэлектрический материал — techexplorist.com

• 3 основных прорыва в области материаловедения и почему они важны для будущего — singleityhub.com

• Новый тип химической связи: связь со сдвигом заряда — theconversation.com

• С помощью ультрахолодной химии исследователи впервые видят, что именно происходит во время химической реакции — phys. org

• «Волшебные» метаматериалы предлагают удивительные новые свойства — imeche.org

• Загрязнение серой от угля и газа безумно плохо, но новая химическая инновация может его очистить — theconversation.com

• Эластичные разлагаемые полупроводники — будущее всего мира

• Ученые UCI раскрывают механизм перезарядки электронов в молекулах — uci.edu

• «Пиконаука» и множество новых материалов — yale.edu

• Интеллектуальный, изменяющий форму, самовосстанавливающийся материал — printelectronicsworld.com

• Визуализация химической структуры отдельных молекул, атом за атомом — Брукхейвенская национальная лаборатория

• Химики устраняют пробелы в повышении безопасности и эффективности наномедицины — Техасский университет в Далласе

• Многофункциональные материалы позволяют управлять будущим — Physics World

• Технология антенн из метаматериалов — Business Wire

• Изготовление металла с легкостью воздуха — Phys. org

• Исследовательская группа нашла способ превратить пластиковые отходы в топливо для реактивных двигателей — EurekAlert

• Почему вам следует заботиться о том, что гидрид лантана является сверхпроводником при высоком давлении0003

• Материал Новой Флатландии: физики получили квазидвумерное золото — Phys.org

• Прозрачное дерево — Youtube

• Как метаматериалы однажды смогут воплотить в жизнь невозможное — Дико полезные советы по выбору электроники0003

• Лаборатория возобновляемых источников энергии в США является пионером в области вторичной переработки отходов пластмасс, позволяющих превращать их в новые ценные продукты — Plastics Today

• Заправляя будущее — Королевское химическое общество

• Взгляд The ​​Guardian на периодическую таблицу: химия помогает жить лучше — Yahoo News

• Как квантовые вычисления способствуют прорывам в химии — Singularity Hub

• Структуры малых молекул: новый мир — журнал Science

• Самовосстанавливающийся материал может строиться из углерода в воздухе — Nanowerk

• Немного крутой химии — использование света для превращения пластиковых отходов в водородное топливо — Американский совет по науке и здоровью

• Исследователи моделируют химические связи с помощью квантовых компьютеров — The Varsity

• Графен и не только: удивительные свойства и перспективы 2D-материалов — Центр Singularity

• Почему графен еще не завоевал мир. .. пока — Youtube

• Стэнфордский ИИ воссоздает периодическую таблицу химических элементов — Стэнфордский университет

• С помощью ИИ будут обнаружены дикие новые материалы будущего — Singularity Hub

• Песня Периодической таблицы — Youtube (3:04)

• Создание неэлектрической батареи для хранения солнечной энергии — Tech Xplore

• Технология, получившая Нобелевскую премию, демонстрирует преимущества междисциплинарного сотрудничества — The Cornell Daily Sun

• Новый материал

  снижает вес автомобильных оконных и дверных уплотнителей — Новости дизайна

• Микроботы перемещаются по воде, уничтожая бактерии — Headline Science — Youtube (1:22)

• Новая форма углерода, твердая, как камень, но эластичная, как резина — Phys. org

• Получение металлического водорода в Гарварде — Youtube (2:10)

• Новый чудо-материал ВМС США — синтетическая слизь миксины — New Atlas

• Один из самых прочных и легких известных материалов — Youtube (2:16)

У химии большое будущее для нас и нашей экономики

Химия — это наука о молекулах: основных строительных блоках всех известных веществ. В некотором смысле это делает химию наукой обо всем.

Химики доказали, что все окружающие нас вещества — Земля и вся Вселенная в целом — состоят всего из 92 строительных блока или элемента (не считая тех, которые мы сделали сами и которых нет в природе).

На самом деле всего семь из этих элементов ответственны за более чем 99% окружающего нас мира.

В отличие от других основных научных дисциплин, таких как физика, математика и биология, химия является единственной фундаментальной наукой, связанной с конкретной отраслью.

Химическая цивилизация

Химия как дисциплина была и остается важным фактором богатства, процветания и здоровья человечества. За последние 5000 лет именно химия больше, чем любая другая дисциплина, сделала возможной нашу глобальную цивилизацию.

Ранние цивилизации научились извлекать простые металлы и обрабатывать их, что обеспечило военное и, в конечном счете, экономическое превосходство. Точно так же цивилизации, открывшие порох, получили господство во многих регионах земного шара.

Инновации, такие как разработка специальных цементов, строительных растворов, а позднее и бетона, стекла и пластика, позволили урбанизироваться в огромных масштабах.

Промышленная революция стала возможной благодаря быстрому улучшению понимания горения и термодинамики ископаемого топлива. Это привело к глобальному смещению власти в пользу тех стран, которые смогли внедрить эти инновации в промышленных масштабах.

В 2014 году мировая химическая промышленность обеспечила 4,9% мирового ВВП, а валовой доход сектора составил 5,2 триллиона долларов США. Это соответствует 800 долларам США на каждого мужчину, женщину и ребенка на планете.

Мы ожидаем, что химия продолжит определять направления технологических изменений в 21 веке. Например, химические исследования и разработки будут способствовать созданию энергоэффективных светодиодов, солнечных батарей, аккумуляторов для электромобилей, опреснения воды, биодиагностики, передовых материалов для долговечной одежды, аэрокосмической промышленности, обороны, сельского хозяйства, нанотехнологий, аддитивного производства, а также здравоохранения и медицины.

Координатор

Химия является крупнейшей научной дисциплиной: в 29 австралийских университетах есть специальные химические факультеты.

Вопреки распространенному мнению, в химии существует близкий гендерный баланс: 56% всех выпускников химических факультетов — мужчины. Средняя заработная плата составляет 50 000 австралийских долларов в год, средний возраст выпускников — 22 года.

В настоящее время около половины всех химиков работают в промышленности, одна четверть — в университетах или преподает, а большая часть оставшейся четверти — в государственных лабораториях.

Химикаты и пластмассы снабжают 109 из 111 отраслей промышленности Австралии. В химической промышленности занято более 60 000 человек, и это наш второй по величине производственный сектор. Ежегодно этот сектор вносит 11,6 млрд австралийских долларов в ВВП Австралии.

Это впечатляющие цифры, но для поддержания этих показателей необходимы долгосрочные стратегии и ориентация на национальный уровень.

Богатые возможности

Сегодня, 19 февраля, президент Австралийской академии наук профессор Эндрю Холмс и председатель Австралийского исследовательского совета профессор Эйдан Бирн запустили первый Десятилетний план (DP) для австралийской химии.

Десятилетний план представляет собой документ, составленный рабочей группой под эгидой Национального комитета по химии. Ключевые цели такого подхода «снизу вверх» заключаются в том, чтобы гарантировать, что именно химическое сообщество само задает направление в этой области и определяет возможности и проблемы, которые ждут впереди.

Судя по результатам процесса DP, химия в Австралии остается здоровой, но неэффективной наукой. Химия является привлекательным выбором профессии, и химия остается жизненно важной для многих австралийских отраслей, включая строительство, горнодобывающую промышленность и сельское хозяйство.

Тем не менее, выпускники химических факультетов все чаще переходят в такие области, как биотехнология, мониторинг окружающей среды, криминалистика, наука о продуктах питания и зеленая химия.

Самой большой проблемой, выявленной рабочей группой DP, является плохая коммуникация в секторе. В то время как 40% компаний во многих европейских странах взаимодействуют с университетами, только 4% австралийских компаний сообщают о таких связях.

Австралия может намного лучше использовать свою мощную научно-исследовательскую базу. Химическое сообщество должно работать вместе более эффективно, чтобы создать настоящую «цепочку создания добавленной стоимости».

Прибыльные химические компании создают высококачественные рабочие места, что, в свою очередь, привлекает студентов, которые продолжают заниматься наукой. Улучшение связей между университетами и промышленностью позволит Австралии производить продукцию, необходимую для поддержания высокого уровня жизни.

Правительствам необходимо поддерживать эту цепочку создания добавленной стоимости путем разработки долгосрочной двухпартийной политики, которая способствует принятию рисков и увеличению инвестиций в производство. Возможно, мы много слышали об этом раньше, но теперь об этом говорят в один голос.

Пол Малвейни, лауреат премии ARC, профессор химии, Университет Мельбурна

Первоначально эта статья была опубликована на сайте The Conversation. Прочитайте оригинальную статью.

Центр исследований радиационной химии переносит забытую науку в будущее

Наука радиационной химии процветала с 1940-х по 1960-е годы, когда Соединенные Штаты взвешивали преимущества нескольких различных технологий реакторов для питания энергоемкой планеты.

За это время исследователям необходимо было понять, как происходят химические реакции в средах с высоким уровнем радиации, чтобы оптимизировать характеристики материалов, топлива и охлаждающих жидкостей в этих различных типах реакторов, включая технологии с газовым и водяным охлаждением.

Но в 1970-х годах, отчасти из-за появления реакторов с легким водяным охлаждением в качестве предпочтительной технологии для атомной энергетики, наука о радиационной химии была отведена в несколько конкретных ниш.

Теперь, когда новое поколение разработчиков ядерных реакторов разрабатывает передовые концепции реакторов на расплавленных солях в качестве альтернативы для обеспечения надежной, устойчивой, безуглеродной энергии, потребность в радиационной химии как никогда высока.

Чтобы удовлетворить эту потребность, Центр исследований радиационной химии Национальной лаборатории Айдахо разработал возможности, которые поддерживают ядерную энергетику, исследуя радиационные эффекты в современных реакторах, топливе, теплоносителях, материалах и технологиях переработки топлива, а также обучая следующее поколение. радиационных химиков.

Системы облученных растворителей для отделения актинидов от других компонентов отработанного ядерного топлива.

«В настоящее время в мире существует несколько учреждений, которые обучают химиков-радиаторов или проводят исследования в области радиационной химии, — сказал Грегори Хорн, директор Центра исследований радиационной химии INL. «С химией радиация может протолкнуть вас в неизвестность».

Это потому, что высокоэнергетическое излучение может изменить способы взаимодействия атомов друг с другом.

«Мы не только предоставляем экспертные знания и возможности в области радиационной химии, у нас есть связи с другими ведущими мировыми центрами, — сказал Хорн. «Наша проблема заключалась в том, чтобы люди знали, что эта дисциплина существует».

Центр был создан из-за необходимости поддержки конечной стадии ядерного топливного цикла — того, что происходит с ядерным топливом, когда оно перестает производить электричество. Эти потребности включают переработку ядерного топлива для Управления по ядерной энергии Министерства энергетики и обеспечение безопасного хранения и окончательного захоронения топлива и ядерных отходов для Управления по охране окружающей среды Министерства энергетики.

Но теперь его исследователи расширили свои усилия на другие сферы, особенно на фундаментальную науку.

«Мы изучаем базовую химию актиноидов, таких как калифорний и берклий», — сказал Хорн. «В мире всего несколько человек, которые справлялись с этими элементами».

В общем, центр пытается собрать группу экспертов в данной области, которые могут помочь решить наиболее важные научные задачи, стоящие перед атомной энергетикой.

Расплавы солей в экстремальных условиях  

Одной из ключевых проблем является понимание химии расплавов солей — представьте, что такие соединения, как поваренная соль, превращаются в жидкость путем плавления, а не растворяются в воде, — поскольку они выдерживают сильное нагревание и излучение в предполагаемых условиях реактора.

Потребность в исследованиях была определена в качестве приоритетной на семинаре по потребностям в фундаментальных исследованиях, который состоялся в 2017 году при поддержке Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США (DOE-BES).   

Семинар способствовал созданию Исследовательского центра Energy Frontier (EFRC), специализирующегося на изучении расплавленных солей в экстремальных условиях, в который входят INL, Брукхейвенская национальная лаборатория, Окриджская национальная лаборатория, Университет штата Айова, Университет Стоуни-Брук и Университет Нотр-Дам. . Эти исследовательские центры финансируются через DOE-BES и объединяют творческие междисциплинарные научные группы для решения самых сложных научных задач, препятствующих значительному прогрессу в энергетических технологиях.

В составе группы исследователей расплавленных солей ученые Центра радиационных химических исследований работают над тем, чтобы понять фундаментальные процессы в расплавленных солях, особенно структуру, свойства и радиационную химию расплавленных солей и то, как они взаимодействуют с другими материалами.

«Несмотря на то, что химия расплавленных солей основана на науке, она имеет всевозможные связи с основной миссией INL», — сказал Саймон Пимблотт, научный сотрудник лаборатории INL и заместитель директора EFRC исследования расплавленных солей в экстремальных условиях (MSEE). «Сейчас мы наблюдаем все больше и больше применений расплавленных солей в ядерных и других энергетических технологиях с нулевым (углеродным) выбросом».

Гамма-облучатель в работе, исследование скорости образования молекулярного водорода из алюминиевой оболочки твэлов.

Сама по себе химия расплавленной соли сложна, потому что она очень горячая и очень коррозионная. В следующем поколении реакторов на расплавленных солях наука о расплавленных солях должна будет учитывать интенсивное радиационное поле в активной зоне реактора.

«Самая большая проблема, с которой мы сталкиваемся в отношении расплавленных солей, заключается в том, что предыдущие исследования имели очень ограниченный масштаб», — сказал Хорн. «Существует большой пробел в знаниях. Например, исследователи MSEE заметили, что для некоторых растворенных ионов металлов, как только вы применяете радиационное поле к расплавленной соли, из нее выпадает металл».

Этот химический состав особенно важен в некоторых концепциях реакторов с расплавленной солью, где топливо смешивается с расплавом соли.

«Добавление примесей — например, актинидного топлива — в расплавленные соли изменяет их свойства», — сказал Пимблотт. «Это может усилить или подавить коррозионные свойства. Он изменяет окислительно-восстановительную химию. На эти вещи влияет температура и радиационное поле. Это сложная система. Вот почему это трудный вызов».

Создание необходимого потенциала для радиационной химии  

Создание лаборатории с необходимыми возможностями для изучения радиационной химии — задача, для решения которой особенно хорошо подходит Национальная лаборатория Айдахо с ее долгой историей ядерной науки.

«Расплавленные соли нельзя обрабатывать и изучать без инертной атмосферы и высоких температур», — сказал Ручи Гахар, научный сотрудник INL из отдела систем расплавленных солей и пирохимии. «Разработать систему для эксперимента непросто. Все нужно делать в перчаточном ящике».

(Лабораторный бардачок — это рабочая станция, которая позволяет технику манипулировать чувствительными или опасными материалами без контакта материалов с техником или внешней средой. ) 

Прямо сейчас в лаборатории есть оборудование, которое позволяет Гахар и ее коллегам работать с хлоридные соли, но цель состоит в том, чтобы расширить эту возможность. «Фторидные соли еще более агрессивны, чем хлориды, и мы разрабатываем несколько специальных держателей образцов для работы с фторидами и другими коррозионно-активными материалами при высоких температурах», — сказала она.

Еще один работающий гамма-облучатель, поддерживающий оценку передовых систем растворителей для разделения для переработки отработавшего ядерного топлива.

Другие возможности включают в себя множество спектроскопических методов, которые позволяют исследователям изучать химическое взаимодействие расплавленных солей с металлами и графитом, который используется для замедления скорости нейтронов в нескольких типах реакторов, а также изменения окислительного состояния расплавленных солей. , что может повлиять на коррозию.

Эти и другие приборы сконструированы таким образом, чтобы выдерживать экстремальные условия облученных расплавленных солевых систем. Гамма-облучатели центра на кобальте-60 позволяют исследователям быстро проводить радиационные эксперименты, не требуя места в реакторе, подобном усовершенствованному испытательному реактору INL.

— Здесь много интересных вопросов, — сказал Пимблот. «Это фундаментальная наука, но она напрямую применима к усовершенствованным ядерным реакторам и другим приложениям, таким как концентрированные солнечные энергетические системы».

О Национальной лаборатории Айдахо
Battelle Energy Alliance управляет INL для Управления ядерной энергии Министерства энергетики США. INL является национальным центром исследований и разработок в области ядерной энергетики, а также проводит исследования в каждой из стратегических областей Министерства энергетики: энергетика, национальная безопасность, наука и окружающая среда. Для получения дополнительной информации посетите www.inl.gov . Следите за нами в социальных сетях: Twitter , Facebook , Instagram и LinkedIn .  

Опубликовано 31 августа 2022 г.

Что химия когда-либо делала для вас?

Для многих химия является чуждым понятием, принадлежащим миру научных кругов и учебников и мало относящимся к нашей повседневной жизни. На самом деле вам будет трудно найти аспект вашей повседневной жизни, на который непосредственно не влияют химические исследования.

Химия изучает молекулы: строительные блоки материи. Он занимает центральное место в нашем существовании и ведет наши исследования человеческого тела, Земли, пищи, материалов, энергии и всего, что находится между ними. Химическая промышленность, поддерживаемая химическими исследованиями, лежит в основе нашего экономического прогресса и обеспечивает благосостояние и процветание общества. В Австралии в химической промышленности занято 60 000 человек, и она ежегодно приносит около 11,6 млрд долларов США в наш ВВП.

Далее следует краткий обзор — всего лишь небольшая выборка — основных открытий в области химии, которые помогли сформировать наш образ жизни. Начиная с первых случаев работы с металлом в медном веке в 5000 г. до н.э., до цифровой эры и современных передовых технологий, таких как нанонаука и биотехнология, химики чаще всего были движущей силой прогресса в нашей уровень жизни.

Металлы

Химическая теория развивалась задолго до того, как «химик» стал возможным выбором карьеры. Феномен огня был одним из первых чудес, которые человечество стремилось понять, и использование огня привело к изучению металлов и манипулированию ими. Это восходит к 5000 г. до н.э., когда впервые была обнаружена медь, которая заменила камень в качестве материала для изготовления инструментов. Он был получен с помощью процесса, называемого
плавка

ГЛОССАРИЙ
плавка извлечение металла из руды (смеси породы и металла) путем нагревания и плавления

, и считалось, что она также произвела первое стекло в качестве побочного продукта.

Бронзовый век начался, когда было обнаружено, что медь может соединяться с оловом для получения более твердого металла — как вы уже догадались, бронзы. Это был первый
сплав

ГЛОССАРИЙ
сплав смесь металла с другими металлами или неметаллами. Обычные сплавы включают сталь, латунь и олово. Они часто дешевле, чем простые металлы, со многими аналогичными или улучшенными свойствами.

когда-либо производились и привели к более сильному оружию и инструментам. Торговля этими инструментами способствовала обмену технологиями и знаниями между ранними цивилизациями. Железный век, наступивший около 1200 г. до н.э., привел к увеличению распространенности железа в качестве основного металла для режущих инструментов и оружия. Железо эволюционировало как материал медленнее, потому что для обработки металла требовались более высокие температуры. Этот сдвиг привел к изменению методов плавки, улучшению технологий печей, а также развитию
ковка

ГЛОССАРИЙ
ковка придание формы металлу с использованием сжимающих сил, например, ковка

, в отличие от
Кастинг

ГЛОССАРИЙ
отливка Горячий жидкий металл заливают в полую полость и охлаждают, чтобы он затвердел и принял желаемую форму.

приемы, применявшиеся в бронзовом веке.

Открытие бронзы (сплава, полученного при соединении меди с оловом) привело к созданию более прочного оружия и инструментов в бронзовом веке. Источник изображения: Национальный музей Кореи, Сеул / Wikimedia Commons.

Материалы и производство

В железный век также были разработаны многие основные элементы городского развития, с которыми мы знакомы сегодня, такие как цемент, строительные растворы и битум. В этот период население в крупных городах становилось все более урбанизированным, что привело к строительству первых настоящих дорог.

Около 500 лет назад химия стала серьезным занятием. Были идентифицированы элементы, отличные от встречающихся в природе металлов, и изучены их свойства, хотя они все еще не были полностью поняты. Люди еще не очень хорошо понимали лежащую в основе науку, определяющую свойства материалов, и было неясно, сколько существует различных основных или элементарных строительных блоков.

Другим важным событием стало
вулканизированная резина

ГЛОССАРИЙ
вулканизированная резина закаленная, более прочная резина, полученная путем добавления серы при высоких температурах

, в 1843 году Чарльзом Гудиером. Это привело к
пневматический

ГЛОССАРИЙ
пневматический содержащий полость для воздуха; работает на газе или воздухе под давлением

шин и дало толчок производству полимеров и пластмасс, которые впоследствии произвели революцию в производстве товаров для дома. Открытие Альфредом Нобелем динамита в 1867 году и более совершенных взрывчатых веществ позже привело к быстрому расширению добычи полезных ископаемых как средства добычи руд и минералов.

Изобретение вулканизированной резины Чарльзом Гудьиром в 1843 году положило начало производству полимеров и пластмасс. Источник изображения: Энтони / Flickr.

Синтез первого искусственного красителя, пурпурного цвета, позднее названного лиловым, произошел в 1856 году. Это было случайное открытие, сделанное Уильямом Перкином, 18-летним подростком, который на самом деле пытался получить искусственный хинин. Синие и фиолетовые пигменты исторически были невероятно редки, а розовато-лиловый пользовался большим спросом. Его разработка побудила к дальнейшим исследованиям в области органической химии и производства связанных красителей и пигментов. Примерно в это же время были основаны некоторые из крупнейших в мире компаний, занимающихся органической химией, из-за спроса на производство красителей.

Несмотря на все более широкое использование химических соединений, только в 1870 году Дмитрий Менделеев придумал систематический способ размещения всех известных химических элементов в периодической таблице. Таблица основана на общих химических свойствах и тенденциях их поведения. Это краткий, насыщенный информацией каталог всех известных различных типов атомов, который до сих пор является важным инструментом для изучения химии.

Совсем недавно Гарольд Крото, Ричард Смолли, Джеймс Хит, Шон О’Брайен и Роберт Керл из Университета Райса сделали новое открытие относительно того, что, как мы думали, мы полностью поняли — они открыли новую форму углерода. Крото, Керл и Смолли позже были награждены 1996 Нобелевская премия по химии за открытие фуллеренов, совершенно нового расположения атомов углерода, образующих шарообразные структуры, похожие на клетки. Они оказались полезными при разработке материалов и могут иметь ряд биомедицинских применений.

Эта область исследований также привела к разработке углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки используются для создания сверхпрочных и легких материалов, например, для использования в самолетах.

Волокнистый материал из углеродных нанотрубок. Диаметр каждой нанотрубки более чем в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Источник изображения: Кристиан Хекер, инженер в Кембридже / Flickr.

Другой формой углерода, обладающей уникальными свойствами, является графен. Графен — это лист, состоящий из одного слоя атомов углерода, и хотя один слой атомов может показаться очень хрупким, на самом деле он чрезвычайно прочный, в 200 раз прочнее стали, сверхлегкий, гибкий и отличный проводник. Хотя ученым уже давно было известно, что графит состоит из листов атомов углерода, только в 2004 году профессора Андрей Гейм и Костя Новоселов смогли самостоятельно выделить один слой для получения графена. Графен еще не так вездесущ в нашей повседневной жизни, как некоторые другие великие химические открытия — в данном случае это скорее вопрос «Что графен сделает для вас в будущем?» Обладая уникальными свойствами, он может имеют огромное влияние в нескольких областях, включая электронику, материалы, энергетические технологии и биомедицинские приложения.

Энергия

Одним из ключевых вкладов, которые химия принесла нашему расцветающему обществу, является способность использовать и хранить электрическую энергию — электричество. Электричество долгое время было интеллектуальной диковинкой, и это явление стало более понятным благодаря экспериментам химиков и физиков.

Традиционное производство энергии путем сжигания и термодинамики ископаемого топлива привело к промышленной революции. Этот промышленный бум с середины 1700-х до 1800-х годов был эпохой роста, когда инженеры-химики вышли на первый план, чтобы расширить и индустриализировать производственные процессы. Именно в это время были разработаны многие практические применения химии, на которые мы полагаемся сегодня.

Аккумуляторы, от которых зависит так много наших устройств, основаны на химической реакции, которая производит электричество. Первая электрическая батарея была создана Алессандро Вольта, который доказал, что электричество течет по проводам, прикрепленным к разным металлам, и тип используемого металла влияет на напряжение. В его честь назван термин «вольт» как мера электрического потенциала. Хотя нынешние батареи намного сложнее, чем во времена Вольты, возобновился интерес к дальнейшему развитию этой жизненно важной химической технологии, чтобы можно было хранить устойчивую энергию, производимую солнечными батареями или энергией ветра.

Пищевая промышленность и сельское хозяйство

Сложные технологии внедряются в современное производство продуктов питания. От почвоведения до анализа питания, от испытаний на безопасность до упаковки и консервирования пищевых продуктов — задействованные химические процессы обширны, и им часто не уделяется должного внимания. Например, если бы не охлаждение, наши системы распределения продуктов питания были бы ограничены, а хранение было бы недолгим. Первые системы охлаждения были разработаны в 1874 году. В них использовался диметиловый эфир, но вскоре появились системы на основе аммиака, которые до сих пор используются в промышленных холодильниках.

Аммиак также представляет собой неотъемлемую химическую инновацию для производства продуктов питания, в основном из-за его использования в производстве удобрений. Действительно, по оценкам, около 1 процента мировой энергии используется для производства аммиака. Повышение производительности наших систем выращивания продуктов питания стало необходимым из-за совокупного давления роста населения, изменения климата и нехватки воды. Если бы не процесс Габера-Боша, наше текущее сельскохозяйственное производство было бы неустойчивым. Впервые он был разработан в 1909, и позволяет осуществлять эффективное крупномасштабное производство аммиака (NH ₃ ) путем взаимодействия атмосферного азота (N ₂ ) с водородом (H ₂ ) при высокой температуре и давлении. Это привело к легкодоступному маршруту производства удобрений и привело к четырехкратному увеличению производительности сельского хозяйства. Открытие пестицидов и гербицидов еще больше повысило урожайность, при этом ключевыми соединениями являются ДДТ и глифосат. Сегодня около 40–60% мировых сельскохозяйственных урожаев зависят от искусственных удобрений.

Химические процессы, особенно те, которые связаны с созданием удобрений, необходимы для современного производства продуктов питания. Источник изображения: Андреас Коллморген / Flickr.

Человеческое население во всем мире использует химию для поддержания безопасных запасов чистой воды. Переработка будет иметь важное значение для поддержания этого ресурса в будущем. Здесь, в Австралии, засухи заставили нас за последнее десятилетие сократить потребление воды и пересмотреть нашу зависимость от плотин и водохранилищ, а также подумать об альтернативных источниках воды. Уже есть три крупных завода по опреснению воды в Сиднее, Мельбурне и Перте. Без этого развития в области химического машиностроения такие страны, как Саудовская Аравия, Кувейт, Объединенные Арабские Эмираты, Бахрейн и Ливия, скорее всего, не имели бы достаточного количества пригодной для использования воды для поддержания своего нынешнего населения. Эффективное управление ресурсами становится все более важным, поскольку мы сталкиваемся с неопределенностью окружающей среды, а химия играет решающую роль в потенциальных решениях.

Здоровье

Современное здравоохранение основано на многих жизненно важных открытиях, сделанных в области химии. К ним относятся разработка новых фармацевтических препаратов, диагностических инструментов и более совершенного диагностического оборудования, такого как рентгеновские аппараты, МРТ, тесты на рак и наборы для беременных. Аналитическая химия и судебная медицина имеют решающее значение для выявления ядов или токсинов в продуктах питания, растениях и животных, а также для отслеживания и идентификации неизвестных химических веществ и материалов.

Медицинская практика также резко изменилась по мере развития химических знаний. Открытие болеутоляющих и анестетиков открыло совершенно новые возможности для практикующих врачей. Стала возможной продвинутая хирургия (вместо простой ампутации). Соединения, такие как
оксид азота

ГЛОССАРИЙ
закись азота седативное средство, также известное как веселящий газ, закись азота, нитро или NOS

(N ₂ O), или веселящий газ, стал популярным, а небольшие хирургические и стоматологические процедуры стали немного менее рискованными, хотя инфекция по-прежнему оставалась серьезной проблемой. Здесь на помощь пришла химия (снова!) с первыми антисептиками. В 1867 году Джозеф Листер представил карболовую кислоту в качестве антисептика для очистки хирургических ран. Смертность в его хирургии снизилась с 45,7% до 15%.

Прорывы в химических процессах привели к открытию анестетиков, что сделало возможной передовую хирургию. Источник изображения: Архив СМИ Королевского флота / Flickr.

Все еще на этом фронте, но несколько позже, Александр Флеминг открыл первый антибиотик, пенициллин, в 1928 году. Это открытие открыло совершенно новую эру в борьбе с бактериальными болезнями. Однако только в 1940-х годах, когда Ховард Флори, ученый из Аделаиды, произвел пенициллин в больших масштабах, он получил широкое распространение. Его работа привела к легкому лечению инфекции, а также спасла миллионы жизней. Но микробы начали давать отпор, а это значит, что наши дни просто решаемых инфекций скоро могут быть позади. В связи с постоянно растущей распространенностью устойчивости к противомикробным препаратам дальнейшая работа в этой области химии важна как никогда.

Мария Кюри была первой женщиной, получившей Нобелевскую премию, и первым человеком, получившим две Нобелевские премии, и по сей день является одним из двух человек, получивших две Нобелевские премии в двух разных научных областях (физика и химия). Она является важной иконой для науки и, в частности, для химии, поскольку ее работа по открытию
радиоактивные элементы

ГЛОССАРИЙ
радиоактивных элементов нестабильных элементов, распадающихся со временем. Они не имеют стабильной природной формы.

обеспечил основу для инноваций в области рентгеновской визуализации, ядерной энергетики и лучевой терапии.

В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон опубликовали структуру и механизмы ДНК, которые в значительной степени основывались на работах Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса. Крик, Уотсон и Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по медицине 1962 года за это открытие, к тому времени Розалинда Франклин, к сожалению, умерла от рака. С тех пор эта работа помогла объяснить, как болезни передаются из поколения в поколение, и объясняет другие загадки, например, почему мы похожи на своих родителей, как клетки функционируют на микроуровне и как развивается жизнь. Это был поворотный момент для академических исследований, который определил направление исследований в области медицины и здоровья с упором на персонализированную медицину.

Технология

Одним из аспектов химических инноваций, который в значительной степени считается само собой разумеющимся, но который в настоящее время является неотъемлемой частью повседневной жизни многих людей, являются экраны дисплеев в смартфонах, телевизорах и компьютерах. Эти устройства используют молекулы, известные как жидкие кристаллы, для управления светом и изображениями, что и дало им название — ЖК-экраны (жидкокристаллические дисплеи). Жидкие кристаллы возникают, когда вещество находится в промежуточном состоянии между твердым телом и жидкостью. Вместо одной точки плавления, описывающей переход из твердого состояния в жидкое, жидкий кристалл имеет две точки плавления: начальную температуру, при которой вещество плавится, образуя кристалл.
мутный

ГЛОССАРИЙ
мутный мутный, непрозрачный или густой с взвешенными веществами

жидкость и прозрачная вторичная точка плавления, при которой эта мутная жидкость становится прозрачной. Между этими двумя точками находится жидкокристаллическое состояние. ЖК-экраны

используют молекулы, известные как жидкие кристаллы, для управления светом и изображением. Источник изображения: e3Learning/Flickr.

Жидкие кристаллы обладают светомодулирующими свойствами, поэтому их можно использовать в экранах. Впервые они были обнаружены в 1888 году ботаником и химиком Фридрихом Рейнитцером, который наблюдал эффект холестерина, извлеченного из моркови. ЖК-технология, вероятно, будет вытеснена светоизлучающими диодами (LED) в следующем десятилетии.