Участник программы ITMO Fellowship: как объединить химию, физику, IT и управлять миром
Дата публикации: 11.08.2016
Научиться управлять миром и создавать более эффективные материалы – это цель не диктатора, а ученых-химиков по всему миру. С помощью теоретической модели, которая позволит предсказывать результат синтеза новых материалов, можно будет решить промышленные задачи, улучшить действие лекарств, уменьшить выбросы химических производств, придать материалам необходимые оптические свойства и многое другое. Для этого требуется интеграция физики, химии, биологии и IT-моделирования. Профессор Технологического университета Эйндховена (Нидерланды) Евгений Пидько, один из ведущих ученых в области катализа, приехал в Университет ИТМО по программе ITMO Fellowship, чтобы создать такую модель в коллаборации с международной лабораторией «Растворная химия передовых материалов и технологий» и другими подразделениями вуза.
Веками в химии все важнейшие открытия делались методом проб и ошибок. Сегодня же ученые пытаются заранее предсказать, как будет проходить та или иная химическая реакция с применением катализа или без него. Катализатор – это вспомогательное вещество, которое позволяет реакциям проходить определенным образом, например, с большей эффективностью или по другим заданным параметрам.
«До сих пор я применял расчетную, квантовую химию, чтобы понять действие катализаторов в процессах, относящихся к областям энергетики и химического синтеза, но мне всегда было интересно, как спрогнозировать синтез самого катализатора – активного материала с заданными свойствами. А это огромная проблема. В этом месте мои научные интересы пересеклись с проектами, которые проводятся в лаборатории растворной химии. Моя задача – разработать новую методологию, которая позволит синтез новых материалов перевести в категорию функционального дизайна. Это будет некая универсальная схема создания функциональных материалов, в том числе катализаторов, под любые задачи. С ее помощью ученые смогут быстро находить параметры для синтеза материала с заданными свойствами», – пояснил Евгений Пидько.
Он подчеркнул, что это очень серьезная фундаментальная задача, которая потребует 15-20 лет научной работы. Однако параллельно этому исследованию будут решаться и другие важные вопросы, связанные с управлением химическими реакциями во всех сферах прикладной науки. Например, конверсия природного газа в жидкообразное состояние с помощью катализа принесет намного больше доходов добывающей стране, чем перекачка газа по трубам на перерабатывающие производства в другие государства.
Модель, которую разрабатывает приглашенный профессор, можно применить и для создания альтернативных катализаторов, на замену существующим. Кроме того, с помощью катализаторов можно эффективнее контролировать искусственно созданные химические реакции и процессы, которые имитируют природные. Например, ученые сейчас активно работают над созданием батарей-накопителей энергии от альтернативных источников, которые функционируют точно так же, как витамин В2 в живых организмах.
Другая прикладная задача – это создание более эффективных лекарств, которые будут доставлять действующее вещество в организм человека целенаправленно. То есть вещество не будет «выпускаться» из синтезированной оболочки до тех пор, пока она не попадет в определенную химико-биологическую среду. И только тогда оболочка разрушится, и лекарство начнет действовать. Это позволит избегать общего токсикоза организма при лечении, а также уменьшит само количество необходимого препарата.
«Мы будем строить основы для получения новых материалов, и эти основы будут описаны с помощью универсальной теоретической модели. Однако есть фундаментальные проблемы. Большая часть теории кинетики и термодинамики построена для газовой и твердотельной фаз веществ. А вот жидкостные процессы изучены плохо, и именно этим, среди прочего, занимаются ученые в лаборатории растворной химии в Университете ИТМО. Моделирование новых материалов поможет предсказывать и обеспечивать новые оптические свойства в наноматериалах, которые зависят, в том числе, от их структуры. Таким образом, произойдет интеграция лабораторий, которые занимаются физикой, химией, биологией, наноструктурами, биоинжинирингом, причем не только внутри Университета ИТМО, но и во всем Санкт-Петербурге», – прокомментировал профессор Технологического университета Эйндховена.
Ученый подчеркнул, что в Университете ИТМО он нашел все возможности для продуктивной научной работы. Он также поддерживает расширение международных образовательных связей вуза. Уже в следующем году студенты Университета ИТМО поедут на стажировку в Лабораторию химии неорганических материалов Технологического университета Эйндховена.
Исследователь добавил, что международное сотрудничество ученых крайне упрощает и делает более эффективным сам процесс получения новых научных знаний и их практического использования. Во-первых, это позволяет научным институтам не заниматься тем, что уже есть у коллег, – например, не тратить средства на создание суперкомпьютера для сложных вычислений, если такой компьютер есть у партнеров. Во-вторых, продуктивные решения научных проблем можно находить быстрее, объединяя компетенции нескольких лабораторий. В-третьих, сотрудничая, ученые могут учиться на опыте коллег из различных научных школ и, выбирая лучшее, создавать более совершенные лаборатории или методики. Евгений Пидько отметил, что в Университете ИТМО, например, он учится у коллег новым стратегиям взаимодействия со студентами.
Редакция новостного портала Университета ИТМО