Scienty

Координационные полиядерные соединения – это что? И почему их исследование имеет значение? Какие передовые разработки в этой области осуществляются в России и к каким результатам они привели? Ответы на эти вопросы дает профессор РАН Михаил Кискин, ведущий ученый Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН.

— Михаил, мы в лаборатории химии координационных полиядерных соединений Института общей и неорганической химии РАН. Скажите, пожалуйста, какие исследования проводятся в этой лаборатории?

— Лабораторией руководит академик Игорь Леонидович Еременко. Я — его заместитель и ученик, работаю здесь уже 25 лет. В соответствии с названием лаборатории, мы специализируемся на изучении координационных соединений. Они формируются благодаря ионам металлов, которые взаимодействуют с донорными лигандами, что позволяет создавать новые соединения с заданными свойствами. Для изменения структуры молекулярного соединения и придания ему определенных функций используются различные органические лиганды.

— Какой?

— Люминесцентные соединения, в основе которых лежат оксиды редкоземельных металлов, широко известны. Они обладают характерной люминесценцией и применяются в качестве люминофоров, например, в лампах с люминесцентным свечением.

— У вас над головой пример как раз такой люминесценции?

— Да. Оксидные материалы нуждаются в специфической оксидной матрице, в которой эффективность излучающих устройств относительно низка. Эффективность подразумевает, что при подаче определенной энергии, например электричества, на светоизлучающий элемент, он способен излучать свет на 100%, а может и только на 5%. В настоящее время мы проводим модификацию ионов редкоземельных металлов, добавляя к ним «антенны» – органические ароматические молекулы, непосредственно связанные с металлом. Они способны эффективно поглощать энергию из окружающей среды и преобразовывать ее в световое излучение, которое мы наблюдаем в обычных лампах.

— Вы сказали, что это ароматические молекулы. Что это значит?

— Ароматические молекулы, как правило, получают путем синтеза. К ним относятся, например, пиридин, толуол и бензол. В то время как толуол и бензол применяются в качестве растворителей, пиридин и его производные, содержащие несколько ароматических колец, характеризуются высоким коэффициентом экстинкции, то есть эффективно поглощают излучение извне. При использовании иона европия наблюдаемое излучение составляет приблизительно 600 нм, а при использовании иона тербия — 540 нм. На основе этих металлов возможно создание смесей для настройки цветовой гаммы.

— Какова значимость ароматических свойств и что это подразумевает для потребителя? Возникают ли у нас какие-либо ощущения запаха?

— Нет, на самом деле ароматика — это термин, обозначающий класс соединений, которые не обязательно обладают ароматом. Например, аммиак — весьма ароматное вещество, но не относится к ароматическим соединениям NH₃ — молекула, которая свободно диффундирует и распространяется в воздухе.

— А почему их называют ароматическими соединениями, если они не обладают запахом?

— Это объясняется наличием в их молекулах электронов, находящихся во взаимодействии и формирующих сплошную структуру. Ароматичность определяется особыми связями между электронами, что приводит к образованию ароматической системы. Существуют ароматические молекулы, которые могут свободно перемещаться и восприниматься нами на ощупь. Однако, в сравнении с производными аминов и другими соединениями, например, сульфидами, эта ароматичность не связана с тем, что мы воспринимаем как духи или запахи растений.

— К числу практических применений относится получение люминесценции, но есть и другие возможности?

— Вторая область, которая занимает меня в научной деятельности с последних лет обучения в университете, — это магнитные системы. Мы часто сталкиваемся с определенными видами магнитных материалов в повседневной жизни: магнитами на дверях, магнитными компонентами в мобильных телефонах…

— Магниты на холодильниках…

— И это тоже верно. Также применяются высокопольные магниты, которые используются в различных устройствах.

— А магнитно-резонансная томография?

— Да, речь идет о магнитных материалах, созданных на основе оксидов металлов. В конце прошлого столетия было сделано открытие, показавшее, что молекулярные материалы способны демонстрировать уникальные магнитные характеристики. При этом возможно получение как объемного материала, так и самостоятельной молекулы. Ее можно применять в виде тонкой пленки и запускать излучение, воздействуя на определенный электрический потенциал. Магнитные молекулы открывают перспективы для разработки компонентов будущей элементной базы, например, в компьютерных технологиях. Это могут быть элементы для хранения и обработки данных, и именно такие возможности мы сейчас рассматриваем, используя молекулярные комплексы на основе парамагнитных металлов. Кобальт, никель, медь, а также ионы редкоземельных металлов содержат неспаренные электроны, которые способны взаимодействовать. В 1993 году было описано и изучено одно из первых значимых соединений в этой области – двенадцатиядерный комплекс марганца. В нем прослеживаются определенные обменные взаимодействия между 12 металлоцентрами. Это можно представить как группу людей, взаимодействующих друг с другом для решения общей задачи. Аналогично, парамагнитные центры, взаимодействуя, создают уникальный эффект: молекула комплекса при гелиевой температуре переходит в магнитно упорядоченное состояние и способна выполнять роль носителя одного бита информации. Вспомните, в 1980-1990-х годах мы слушали музыку на кассетах?

— Пленка еще все время зажевывалась…

— Безусловно, это довольно податливый материал, однако конечный результат во многом определяется качеством вашего магнитофона. На пленке содержались определенные сведения, которые головка магнитофона считывала и воспроизводила в виде звука. Сегодня эту пленку можно заменить (и мы это делаем) носителями информации, такими как флеш-память и жесткие диски, что позволяет записывать терабайты данных. Тем не менее, плотность записи пока остается относительно невысокой. Благодаря молекулярным системам можно добиться гораздо большей емкости. Объем хранимых данных ежегодно возрастает экспоненциально, что обуславливает потребность в новых носителях и методах обработки информации. В будущем планируется создание молекулярных систем, которые позволят хранить значительно больший объем данных на ограниченной площади. Главное препятствие заключается в том, что эти молекулярные системы функционируют при гелиевых температурах, которые существенно ниже комнатной и даже температуры жидкого азота. Если бы мы жили в космосе, где температура равна нулю кельвинов, эти материалы нашли бы широкое применение.

— Не исключено, что их следует хранить в космическом пространстве и извлекать по мере возникновения потребности?

— Это пока что слишком затратный вариант. Мы ещё даже не освоили космическое пространство в полном объеме — пока находимся лишь на орбите нашей планеты. Когда же мы колонизируем другие планеты, это приобретет актуальность. Однако я не планирую переезжать — мне комфортно и на Земле.

— Какова необходимость такого объема данных, если современный человек не в состоянии охватить даже существующий объем информации.

— Речь идет о накоплении информации, которую создаем мы. Это первое. Во-вторых, технологии искусственного интеллекта, находящиеся в стадии активного развития, также нуждаются в значительных объемах хранения и обработки данных. Я полагаю, что мы движемся в верном направлении – необходимо что-то сохранить для будущих поколений. К сожалению, изучая историю, можно заметить, что от наших предшественников, живших в Египте или Месопотамии, практически ничего не сохранилось. Клинописные таблички и папирусы со временем пришли в негодность, и для их расшифровки потребовалось немало времени и усилий. А если мы предоставим нашим потомкам информацию в сжатом виде, которую они смогут легко извлекать и анализировать, это окажется для них более удобным и надежным способом.

— Существует мнение, что электронные носители информации не отличаются высокой надежностью: в случае сбоя все данные могут быть утеряны. В то время как рукописные записи сохраняются.

— Это соответствует действительности. Однако, чтобы рукописи сохранялись, их необходимо хранить в среде, исключающей физический контакт, что предотвратит их повреждение. Все материалы, изготовленные из целлюлозы, имеют ограниченный срок службы: бумага постепенно разрушается и исчезает. Безусловно, вы справедливо отметили, что любое серьезное потрясение может привести к безвозвратной утрате наших данных. Необходимо развивать технологии.

— Мы не можем функционировать без доступа в интернет, его отсутствие делает нас абсолютно неспособными к действиям.

— Я бы не утверждал, что мы абсолютно не способны функционировать без доступа к интернету, однако необходимо учитывать возможность возникновения подобных ситуаций.

— Каким образом? Что нужно делать?

— Возможность уединения от городской суеты, наличие собственного огорода, садоводство, огородничество и возвращение к занятиям, которые были привычными не так давно – всё это требует умения справляться с экстремальными ситуациями. Безусловно, мы в значительной степени зависим от электронных гаджетов, однако полностью отказаться от них не представляется возможным.

— Какие еще области являются для вас актуальными?

— Да, у нас также есть подразделение, которое занимается изучением биологической активности сложных соединений. Наши специалисты применяют свойства комплексных соединений, включающих металлоорганические функционализированные молекулы, для подавления бактерий. Это может быть эффективно и против раковых клеток, а также потенциально использоваться при создании антибиотиков. Мы осуществляем синтез этих соединений, для чего исследуем различные химические комбинации. Важную роль здесь играет взаимодействие с медицинскими работниками для оценки их биологического воздействия.

— Какие возможности для развития работы вашей лаборатории вы считаете наиболее перспективными?

— Мы намерены и дальше развивать текущие направления деятельности. Заинтересованность в них сохраняется, и разработка функциональных материалов на их основе имеет большое значение. В качестве примера, на основе фотоактивных соединений возможно получение координационных полимеров — трехмерных структур, которые способны выполнять роль сенсоров для конкретных загрязняющих веществ, присутствующих в воде или воздухе. Люминесцентные свойства этих сорбентов меняются под воздействием поглощенных ими загрязнителей из воздуха или жидкости, что может проявляться как снижение интенсивности свечения или, наоборот, ее увеличение.

— Усиливается ли люминесценция при загрязнении воздуха?

— Скорее, они могут потеряться. Существует специальная светящаяся пленка, которую можно закрепить практически где угодно: на ткани, на столе или даже использовать как наклейку на одежде. Эти люминесцентные полоски также можно наклеивать на кожу, чтобы определить текущую экологическую обстановку: наличие загрязненного воздуха или, наоборот, благоприятную биологическую среду. Наиболее распространенный пример – применение подобных сенсоров в аэропортах. Возможно, вы обращали внимание на то, как сотрудники проводят такими лентами по вашим вещам? Принцип действия схож. По этим лентам можно установить, был ли контакт с нитропроизводными взрывоопасных веществ. В настоящее время мы ведем совместную работу с Институтом неорганической химии Сибирского отделения РАН. Нами были получены координационные полимеры, демонстрирующие определенные сенсорные характеристики и чувствительность к производным нитробензола. Нитроароматические соединения способны эффективно подавлять свечение подобных ароматических структур. Если такие сенсоры обладают высокой чувствительностью и избирательностью, это позволяет определить, какое именно загрязнение присутствует.

— Используются ли ваши разработки где-либо на практике?

— Мы преимущественно сосредоточены на фундаментальных исследованиях в области химии, и в настоящее время возможности по сотрудничеству с производителями ограничены. Тем не менее, в последнее время наш институт активно наращивает партнерство с коммерческими организациями, в том числе с ведущими мировыми научными центрами. В 2025 году мы получили совместный проект с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и Кольским научным центром. Данный проект предполагает эффективное использование редкометалльного сырья: извлечение, переработку металлов, создание новых материалов и катализаторов. Наши исследования направлены на получение катализаторов для гомогенного гидрирования, в частности, для производства бутадиен-нитрильного каучука, необходимого для нефтеперерабатывающей отрасли. К сожалению, гидрированный бутадиен-нитрильный каучук в настоящее время не производится. Ранее он также не выпускался в России, а теперь доступ к нему стал еще более затрудненным. Требуется разработка технологических параметров гидрирования для получения конечного продукта.

— А что за черный ящик стоит у вас на столе?

— Я рад, что вы обратили на это внимание. Здесь представлена демонстрация, связанная с проектом, реализуемым нашим научным центром. Это молекула, которая является действенным однородным катализатором гидрирования ненасыщенных соединений. В частности, речь идет о трифенилфосфинхлориде родия.

— Выглядит как космический корабль.

— Да, это из «Звездных войн». Если правильно организовать расположение этих молекул, они начинают проявлять поведение, схожее с насекомыми, такими как осы или комары, способными к полету и нанесению ударов. Именно это и является катализатором, разработанным в нашей лаборатории. Он обладает относительно низкой активностью. Наши коллеги из Волгоградского технического университета работают над технологией гидрирования, используя наш катализатор. Они предоставили нам образцы бутадиен-нитрильного каучука, прошедшего гидрирование – степень преобразования составляла 70% или близка к 100%. В конечном итоге получается довольно плотный материал, способный выдерживать воздействие температуры до 200 °C. В нефтедобывающей отрасли такой материал востребован для уплотнения соединений. Речь идет о прокладках для труб, применяемых в условиях высоких температур. Замена вышедшей из строя прокладки связана со значительными расходами, поэтому требуются надежные материалы. Ранее этот материал поставлялся в нашу нефтедобывающую отрасль из-за границы.

— Сейчас нет такой возможности?

— Согласен. Это одно из наиболее перспективных практических применений, которое, вероятно, будет внедрено в скором времени.

— Заметил, что ваша лаборатория относительно недавно создана. Кто работает в вашем коллективе?

— В нашей лаборатории преобладает коллектив, состоящий из специалистов, приехавших из разных регионов. Мы наблюдаем высокий интерес к работе у нас, получаем много обращений и заявок. К сожалению, не всем мы можем предложить рабочие места. Естественно, присутствует и текучесть кадров. Я работаю в этой лаборатории с 2002 года, когда начал обучение в аспирантуре. Я родом из Новосибирска и являюсь выпускником Новосибирского государственного университета. Марина Евгеньевна Никифорова – из Йошкар-Олы, Дмитрий Сергеевич Ямбулатов окончил Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Также в коллективе есть сотрудники из Ростова и Кирова, недавно с нами связалась девушка из Казани – она планирует переезд и хочет работать в нашей лаборатории.

— Не пожалели о переезде, не скучаете по Новосибирску?

— Безусловно, мне не хватает там присутствия. Я навещаю коллег и друзей, стараюсь воспользоваться возможностью поехать туда на конференцию и выступить с докладом. Вы знакомы с Академгородком? Это одно из ведущих в мире мест, где развивается передовая наука.