Scienty

Что представляют собой дендримеры? Каковы отечественные разработки в этой области? Почему органическая электроника важна сегодня и где ее применяют? Возможно ли создание полностью разлагаемых полимеров? Как сделать электрическое освещение полезным для глаз? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Сергей Анатольевич Пономаренко, директор Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова.

Сергей Анатольевич, вы появились в стенах этого учреждения давно. Запоминаете эту эпоху? Удавалось ли вам встретиться с основателем и первым руководителем этого института академиком Николаем Сергеевичем Ениколоповым, столетие которого отмечается в этом году?

Я приехал сюда еще студентом в 1991 году. Тогда учился на химическом факультете, на кафедре высокомолекулярных соединений, был в специализированной группе, занимающейся полимерами, и там было так принято, что студенты занимаются научной работой с первого курса. К нам пришли разные научные руководители звать заниматься своими тематиками. Одна из них была посвящена дендримерам, и у нас выступал Азиз Мансурович Музафаров — будущий академик, тогда доктор наук. Рассказал о новом перспективном направлении, развивающемся в этом институте. Наверное, одно из главных фундаментальных открытий, сделанных в институте за последние годы, — дендримеры, сверхразветвленные регулярные макромолекулы. Их еще называли «объемно растущие макромолекулы». Я пошел в лабораторию Валерия Петровича Шибаева — теперь члена-корреспондента РАН, тогда профессора, — и меня заинтересовали жидкие кристаллы. Это промежуточное состояние между кристаллом и жидкостью — такая упорядоченная жидкость.

— А в чем смысл жидкого кристалла?

Кристалл обладает трехмерным порядком, а жидкость — полным разупорядочением. При наличии двухмерного или одномерного порядка формируются жидкости из палочкообразных молекул, ориентированных вдоль направления или упорядоченных в плоскости. Между ними отсутствует порядок. Меня заинтересовали жидкие кристаллы, и научный руководитель предложил совместную работу ИСПМ и химфака МГУ — синтезировать жидкокристаллические дендримеры. Синтезом я занялся здесь, под руководством Евгения Анатольевича Реброва (к сожалению, уже ушедшего из жизни), были получены первые жидкокристаллические дендримеры.

Н.С. Ениколопов руководил институтом тогда. Я кратко его видел, он умер в 1993 году. Личных воспоминаний о нем нет. Но я знаком с его наследием. Особенно погрузился в изучение этого вопроса в этом году, когда отмечали столетие со дня рождения и решили издать мемориальный альбом с воспоминаниями тех, кто работал с ним, фотографиями, информацией об институте: как он был основан, что происходит сейчас.
Наш институт — главное научное наследие Н.С. Ениколопова. Институт помнит и чтит своего основателя. 13 марта, в день его рождения, у нас проходят Ениколоповские чтения.

— Какова причина возникновения этого института?

Н.С. Ениколопов обучался у академика Н.Н. Семенова, лауреата Нобелевской премии, получившего ее за открытие цепных реакций. Подобные реакции бывают разные: и горение, и взрыв — всё это цепные реакции. Многие полимеры тоже получаются с помощью цепных реакций. После получения Нобелевской премии Семенов посетил США и был поражён тем, что там уже выпускают синтетические полимеры, синтетические шубы из полимеров, очень лёгкие и удобные. Его удивило отсутствие такого у нас — нужно получать также.

В шестьдесятых годах Николай Ениколопов был молодым ученым, которому поручили изучать кинетику реакций полимеризации и механизмы регулирования структуры макромолекул, определяющих свойства материалов. Тогда Ениколопов начал работать с полиформальдегидами — сложным и нестабильным полимером. Он разработал способы их получения. В 1968 году был создан Научный совет по синтетическим материалам при президиуме АН СССР, в котором появилась секция по высокопрочным материалам, которую возглавил Н.С. Ениколопов в 1972 году. Одновременно было принято решение о финансировании строительства лабораторного корпуса площадью три тысячи квадратных метров. ²В 1981 году распоряжение об учреждении института вышло от Академии наук СССР. Строительство его длилось десять лет. Финансирование осуществлялось военным ведомством, поскольку полимеры находят применение не только в гражданской сферах. Полимерные композиты применяются и в военных изделиях: самолетах, ракетах, подводных лодках.

С промышленными предприятиями существовало тесное сотрудничество, которое возглавлял Н.С. Ениколопов. Здание достроили и ввели в эксплуатацию только в 1986 году. Ученых собирали из разных групп, одной из которых руководил А.М. Музафаров, занимавшийся кремнийорганическими соединениями. В институте появились разные направления, одно из которых — кремнийорганические полимеры. Этим направлением стали заниматься и я вместе с Е.А. Ребровым. Другие направления были связаны с переработкой полимеров, со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. Развивается технология сухой переработки, когда в специальных условиях синтезируют порошок, сплавляют и получают высокопрочные ленты из которых — нити, по прочности как сталь, но при этом легкие, как полимер.

— Где их можно применять?

Полиэтилен пригоден для создания лёгких и прочных тросов, тканей. Его применяют в Арктике из-за низкой температуры стеклования, благодаря чему он сохраняет свои свойства при экстремально низких температурах.

Какими другими собственными разработками вы располагаете?

С фундаментальной точки зрения это новая форма организации полимерной материи — дендримеры. Самое интересное происходит на больших генерациях. Молекула растет послойно, как шарик, и эти шарики начинают вести себя необычно. На больших генерациях они зацепляются друг с другом, и за счет зацепления между шариками появляется отдельная температура стеклования. Они ведут себя не как обычные жидкости или полимеры.

— Чем лучше разработки из вашего института?

Кремнийорганические дендримеры — очень стабильные материалы, устойчивые к окислению и воздействию высоких или низких температур. Пока это фундаментальное исследование, практическое применение которого пока отсутствует. В мире есть разработки, например, инкапсуляция катализаторов, что повышает их эффективность. Надо сказать, что в фундаментальных исследованиях только 3% разработок оказываются практически применимыми, но без остальных 97% эти 3% не появились бы.

Высокомолекулярный полиэтилен применяется во многих областях. Разрабатывается экологически чистая технология. Н.С. Ениколопов занимался твердофазным синтезом: вещества смешивают и перемалывают под воздействием сильных механических полей или на Бриджмена, где происходят химические реакции. Это перспективно с точки зрения экологии, потому что обычно полимеры получают с помощью растворов. Растворители — органические вещества, иногда вредные. Дополнительные расходы связаны с их очисткой и утилизацией. Механохимия проще и дешевле. Есть лаборатория механохимии полимеров под руководством доктора наук Т.А. Акоповой. В основном перерабатывают биосовместимые системы: хитозаны, хитины из отходов производства морепродуктов. Из них можно делать БАД. Много работают с гиалуроновой кислотой для кремов, улучшающих состояние кожи.

В мире, а особенно в России, наблюдается проблема с биоразлагаемыми полимерами. Есть ли какие-либо успехи в этом направлении?

В 2022 году в институте прошла реструктуризация. Были созданы четыре отдела, один из которых — «отдел биополимеров» под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Николаевича Чвалуна. В этом отделе несколько лабораторий, в том числе молодежная, основанная три года назад, занимающаяся биоразлагаемыми полимерами. Основное направление — полилактиды и различные сополимеры молочной кислоты. Разрабатываются методики синтеза. Партнерство с промышленностью имеется. Полилактид интересен своей истинной биоразлагаемостью.

— А есть не по-настоящему?

Биоразлагаемые полимеры делятся на две части. В первой обычные полимеры дополняют биоразлагаемыми компонентами, например крахмалом. Эта технология появилась в конце ХХ века и использовалась для изготовления пакетов, которые рассыпались благодаря разложению крахмала. Сейчас она теряет популярность из-за образования микропластика, что вызывает много обсуждений.

— А вы делаете полностью разлагаемый?

— Да, полностью разлагаемый полилактид. Там много тонкостей: он с одной стороны разлагаемый, а с другой — разлагается при нагреве, под воздействием влаги и солнца. Если его закопать в землю, он будет лежать очень долго. Поэтому добавляют компоненты, ускоряющие этот процесс. Нужно понимать, что истинно биоразлагаемые полимеры, например полилактид, всегда дороже полиэтилена. Чтобы заменить полиэтиленовые пакеты на биоразлагаемые, нужно политическое решение — запретить то, что дешево, а это не так просто.

— В магазинах предложат купить более дорогие, однако разлагающиеся пакеты. Иначе придётся брать с собой сумки.

Вы правы, всё это происходило в советское время. Бумага, бумажные пакеты постепенно возвращаются. Науку остановить невозможно. Из полилактидов делают не только пакеты, а ещё и, например, медицинские изделия. Отделу посвящены этому разработки.

— Что это за медицинские изделия?

Например, при операции требуются шовные нити. Желательно, чтобы не приходилось их удалять, а они самостоятельно распадались. Или же биоразлагаемые шурупы для протезов.

Нехватка биоразлагаемых материалов для швов – серьёзная проблема, которую отмечают все хирурги.

У нас есть разработка, но из неё полноценный продукт получится не сразу: нужно оптимизировать синтез, производить его в больших объёмах, рассчитать экономическую эффективность и упростить некоторые процессы для удешевления. Существует конкуренция: новая технология сталкивается с сопротивлением старой, и те, кто инвестировал в устаревшую технологию, препятствуют распространению новой. Многое зависит от факторов не связанных с наукой. Но разработками занимаются активно.

— Какие еще научные направления у вас развиваются?

Есть отдел синтетических полимеров и полимерных наноматериалов, где получают кремнийорганические системы. Там большая лаборатория синтеза элементоорганических полимеров академика А.М. Музафарова. Вчера слушали предзащиту докторской диссертации текущего руководителя лаборатории Александры Александровны Калининой, в которой показано огромное количество работы для разработки технологии третьего поколения кремнийорганики, основанной на алкоксисиланах. Ранее всё базировалось на хлорсиланах. Это вредная технология, поэтому раньше были заводы, где работали заключенные. Сейчас этого нет, заводы закрылись и для их восстановления нужно вложение больших средств.

Академик А.М. Музафаров выдвигает новую концепцию: осуществлять синтез алкоксисиланов и далее их химические трансформации в активной среде для получения сложных продуктов.

Вместе с отделом полимерных конструкционных материалов, занимающимся сверхвысокомолекулярным полиэтиленом и другими разработками, существует отдел биополимеров. Четвёртый отдел — органической электроники, куда переросла моя лаборатория.

— Что такое органическая электроника?

Основой органической электроники служат органические полимеры. В традиционной электронике применяют кремний или неорганические полупроводники. Учёные обнаружили, что ряд полимерных и низкомолекулярных соединений демонстрируют полупроводниковые свойства, из них можно даже создавать проводники. Эти полупроводники могут быть гибкими, лёгкими, прозрачными, в отличие от кремния.

Там есть различные устройства: органические транзисторы, светодиоды, фотоэлементы. Также имеются сенсоры, лазеры, светодиодные транзисторы. Технология органической электроники всё больше входит в жизнь людей — например, у многих смартфонов экраны из органических светодиодов, матрицы которых заменили жидкокристаллические. Суть состоит в том, что светится вся плоскость. А когда у нас обычный светодиод, неорганический, это точечный источник излучения. Опять же, эта светящаяся плоскость может быть гибкой, прозрачной, разноцветной. Пока это достаточно дорогая технология, но в смартфонах уже применяется.

Скорее всего, в России не будут производить собственные смартфоны…

Сейчас дела сложные, но раньше приобретенные технологии для дисплеев требуют сегодня замещения импортных материалов и дальнейшего развития.

— А где можно применять такой дисплей?

Сначала нужно импортозаместить материалы в дисплеях, выпускаемых по западным технологиям, потому что их сегодня не продают. Потом можно это развивать: для этого создана отдельная молодежная лаборатория фото- и электрофизики органических полупроводников. Она занимается разработкой новых материалов для органических светодиодов и внедрением их у промышленного партнера на существующей линии производства. Там появляются новые материалы, новые подходы повышения эффективности и стабильности — все это разрабатывается в нашем институте.

Начал работу с транзисторами, много занимались материалами для них. С момента создания в 2011 году лаборатории основным партнером были западные компании, которым синтезировали материалы, а затем исследовали у себя. После 2014 года связи с западными компаниями оборвались, и теперь работаем для отечественных заказчиков. Создали два стартапа: один занимается синтезом и продажей люминесцентных материалов, другой — технологиями печатной электроники, в идеале – печатью устройств. Органические транзисторы не только гибкие, но и чувствительны к окружающей среде: на их основе можно делать сенсоры, например, для токсичных газов: сероводорода, аммиака, диоксида азота. Разработку такого рода есть у нас, её можно использовать в экологических целях или для контроля качества пищевых продуктов. Сейчас реализуем проекты разработки «электронного носа» для диагностики здоровья человека по выдыхаемому воздуху.

— Вы упомянули также фотовольтаику. Что это такое?

Это перспективное направление исследований, которое развивается совместно с другими институтами и университетами в рамках крупных научных проектов, финансируемых Министерством науки и высшего образования Российской Федерации. В настоящее время ведется работа над двумя проектами. Первый связан с разработкой печатных транзисторов на основе органических полупроводников: целью является получение высокоэффективных органических полупроводников для печати из них транзисторов. Здесь необходимы полимеры с высокой подвижностью носителей заряда. Второй проект касается новых материалов для фотовольтаики на основе органических полупроводников. Такие материалы могут быть гибкими и легкими, но основная задача — разработать не только материалы, но и сами устройства, которые коллеги будут запускать в космос для оценки их применимости в этой среде.

— Для чего это нужно?

Органическая электроника имеет недостатки: чувствительность к кислороду и влаге требует защиты. В космосе отсутствует первая и вторая проблема, зато есть ионизирующее излучение. Необходимо выяснить, как органические полупроводники перенесут его воздействие. Возможны перспективы их превосходства над неорганическими: легкость и возможность скручивания для запуска на орбиту и развертывания в космосе. Успех — большой прогресс.

Вы утверждаете, что множество разработок уже создано, а ещё больше идей существует, однако всё это реализуется крайне мало. Как же замечательно, если бы всё заработало! Не думаете ли вы так?

С этим всегда возникали трудности, всё это непросто. Приводил данные о том, что только 3% фундаментальных исследований применяются в практике — и это статистика по всему миру. Здесь нужно полагаться на количество: при трёх разработках большая вероятность, что ни одна не выйдет на рынок. При ста разработках с большой вероятностью три выйдут на рынок.

Вы принимаете это спокойно: так и полагается, верно ли это по всему миру?

Мы стараемся добиться практических результатов, направляя много усилий на важные разработки. С органическими полупроводниками мы работали в обычных условиях, а коллеги — в специальных перчаточных боксах с инертной атмосферой для исключения кислорода и влаги. Из-за ограниченных ресурсов мы обходились без таких условий и использовали только самые стабильные материалы. Сейчас они оказываются наиболее востребованными, так как их нужно меньше защищать.

Какие разработки непременно хотели бы вы внедрить?

Пока у разработок нет промышленного производства, есть прототипы «электронного носа», газовых сенсоров и органической фотовольтаики. Желание, чтобы все это начало применяться: солнечная батарея — в космосе, органические светодиоды — потребителям, а «электронный нос» нашел свое применение.

— Есть ли у вас научная мечта?

— У нас есть разработка по безопасному свету. Сейчас всё используем неорганические светодиоды — LEDЕго излучение опасно для глаз из-за отсутствия сходства с солнечным спектром. В нем имеется провал в области 450 нм, что соответствует длине волны, отвечающей за расширение зрачка. При ярком свете… LEDЗрачок, считая себя неярким, расширяется больше, что приводит к повреждению глаз. Работают над гигиеной зрения и освещением, есть энтузиасты, использующие люминофоры для коррекции света обычных светодиодов, делая его безопасным.

— А как?

Сорбируем негативное воздействие волн малой длины и испускаем свет там, где его недостаточно. В результате получаем благотворное свечение.

— Это дорого?

С точки зрения самих материалов – нет, но технология дороже обычной. Сейчас появляются более дорогие светодиоды из большего количества излучателей, покрывающих этот спектр. Мы предлагаем улучшать существующие дешевые светодиоды. Это наше ноу-хау. Два года назад мы рассказывали про это на конкурсе инноваций правительства Москвы, даже получали призы, пытались взаимодействовать с промышленными партнерами, но посчитали в экономическом аспекте и пока не заинтересовались. Одно дело идея, другое – технология. Но энтузиасты продолжают работать, улучшая эту технологию. Мы надеемся, что все получится.