Сверхпрочный цемент, экологичные лампы и поиски токсинов: как пять женщин-химиков из России меняют мир
Участницы этой подборки — кандидаты и доктора наук из крупных российских химических институтов. Они разрабатывают способы определения уровня глюкозы по поту и слюне для помощи больным диабетом, синтезируют уникальные вещества для измерения уровня загрязнения сточных вод и их очистки, изобретают механизмы для более экологичного и эффективного освещения и создают новые строительные материалы.
Алина Маньшина: новые формы углерода и наночастицы для обнаружения токсинов
Доктор химических наук, профессор кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Института химии СПбГУ
Под руководством Алины Маньшиной с помощью лазеров, сфокусированные лучи которых служат своеобразными «химическими реакторами», создаются новые материалы. В список этих материалов входят, например, новые формы углерода. В последнее время широкую известность получила одна из таких форм — графен, удивительные свойства которого могут пригодиться во многих перспективных областях науки и техники. В СПбГУ методом лазерного синтеза создаются кристаллические наноматериалы из другой формы углерода и, соответственно, другими уникальными и потенциально полезными свойствами.
Также под руководством Маньшиной синтезируются наночастицы — в том числе благородных металлов, таких, как золото, серебро и платина, — обладающие способностью «сообщать» о присутствии вредных веществ. Например, о токсинах в пробах воды из природных источников. Работы в этом направлении ведутся совместно с Санкт-Петербургским Научно-исследовательским центром экологической безопасности РАН.
Кроме того, создаются люминесцентные наночастицы с уникальными спектрами излучения. Их можно использовать в качестве защитных меток практически для чего угодно, от документов до пищевых продуктов и промышленных изделий. Такие метки имеют гораздо более высокий уровень защиты от подделок, чем используемые сейчас штрих- и QR-коды: можно сделать так, чтобы считать их можно было только в определенных условиях. Команда Маньшиной подала на эту технологию патентную заявку. Ее практическим применением уже заинтересовалась некоторые крупные промышленные компании.
«Кроме того, синтезируемые нами структуры обладают замечательными электрохимическими свойствами, — рассказывает Алина Маньшина. — Одна из моих аспиранток работает над созданием на основе таких наночастиц миниатюрного источника питания для кардиостимуляторов. Энергию он будет получать из глюкозы в крови человека».
Елена Кривошапкина: полимеры для очистки сточных вод и определения уровня глюкозы в слюне
Кандидат химических наук, доцент химико-биологического кластера Университета ИТМО
Группа под руководством Елены Кривошапкиной модифицирует природные полимеры (такие, как целлюлоза), добавляя в них наночастицы металлов или их оксидов. Материалы, которые получаются в результате, могут применяться для решения очень разных проблем.
Во-первых, с их помощью можно эффективно очищать от токсичных и радиоактивных веществ сточные воды. Причем некоторые из таких сорбентов могут сами «сигнализировать» изменением цвета о том, что процесс очистки закончен. А если используются магнитные наночастицы, то их можно после этого извлечь из среды с помощью внешнего магнитного поля — вместе с поглощенными ими вредными веществами.
Во-вторых, такие материалы способны быть сенсорами — например, измерять содержание глюкозы в биологических жидкостях, таких, как пот и слюна. Постоянно отслеживать у себя уровень глюкозы нужно больным сахарным диабетом, при этом современные глюкометры в основном требуют забора крови. Разработка команды Елены Кривошапкиной способна решить эту проблему. Кроме того, она может применяться для проверки состава пищевых продуктов.
В-третьих, некоторые природные полимеры, обогащенные нанончастицами в лабораториях ИТМО, «умеют» очень эффективно поглощать углекислый газ. С помощью таких материалов собранный CO2 потом можно транспортировать на заводы, где из него будут производить, например, функциональные химикаты или жидкое топливо. Таким образом можно бороться с парниковым эффектом, переходить на альтернативные источники энергии и одновременно экономить природные невозобновляемые ресурсы углерода — такие, как нефть или каменный уголь.
«Мы уже проводили тестовые испытания всех этих технологий, и они дали хорошие результаты, — рассказывает Елена Кривошапкина. — Промышленного их применения пока что нет. Но я думаю, это вопрос времени».
Дина Дейнеко: материалы для LED-ламп нового поколения
Кандидат химических наук, доцент кафедры химической технологии и новых материалов Химического факультета МГУ
Дина Дейнеко занимается разработкой и синтезом новых люминофоров — веществ, способных преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение (это явление называется фотолюминесценцией). Именно они светят в широко распространенных сегодня LED-лампах. Команда Дины Дейнеко работает с фосфатами кальция — это доступные материалы, а люминофоры, получаемые с их использованием, превосходят многие существующие аналоги по ряду важных характеристик.
Во-первых, они вдвое повышают энергоэффективность LED-ламп. При этом в такие люминофоры требуется добавлять меньшее количество активаторов — дорогих химических элементов, «включающих» люминесценцию, — что дает существенную экономию. Во-вторых, люминофоры, синтезированные на основе фосфатов кальция, обладают более высокой цветовой чистотой и позволяют регулировать цветовую температуру, что лучше для нашего зрения. В-третьих, эти люминофоры не токсичны, не деградируют при эксплуатации и легко могут быть утилизированы без вреда для окружающей среды.
Дейнеко с коллегами ведет свои разработки с прицелом на их скорейшее практическое применение. «Мы сотрудничаем с некоторыми компаниями, которые уже сейчас собираются запускать полный цикл производства светодиодных LED-ламп в России. Для них наша группа разрабатывает и синтезирует конкретные люминофоры с заданными характеристиками», — рассказывает исследовательница.
Область научных интересов Дейнеко не ограничивается неорганическими люминофорами. Несколько лет назад она вместе с коллегами из Китайского университета геонаук разработала на основе синтетических аналогов минерала апатита катализатор, эффективно очищающий стоки от антибиотиков тетрациклиновой группы. Ограничивать попадание антибиотиков в окружающую среду важно, так как их эффективность постоянно снижается за счет развития резистентности — устойчивости — у бактерий.
Ирина Стенина: новые материалы для аккумуляторов
Доктор химических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Лаборатории ионики функциональных материалов Института общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН. Почетный работник науки и высоких технологий Российской Федерации
Ирина Стенина занимается разработкой новых материалов для улучшения характеристик топливных элементов и аккумуляторов — в том числе литий-ионных, которые питают большинство современных портативных устройств. Аккумуляторы с электродами из титаната лития и феррофосфата лития, разработанными под руководством Стениной, «умеют» заряжаться более чем на 50% всего за 5 минут.
«Аккумуляторы с похожими электродами, только иностранного производства, установлены в электробусах, которые ездят сейчас по Москве, — рассказывает она. — Наши точно не уступают им по характеристикам, а возможно, даже превосходят».
Кроме того, под руководством Стениной создаются полимерные мембраны, позволяющие повышать емкость водородо-воздушных топливных элементов. Такими топливными элементами сейчас оснащаются, например, электростанции, работающие на «зеленых» источниках энергии — солнечных батареях и ветрогенераторах.
«Основная проблема таких электростанций — в том, что они не могут генерировать энергию все время: ветер дует не всегда, солнце светит только днем. На пике выработки излишки энергии с помощью электролиза воды можно запасать в виде водорода. А потом с помощью топливного элемента получать из него обратно электричество», — объясняет Ирина Стенина. Материалы, которые создаются в Лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН, могут внести существенный вклад в развитие зеленой энергетики.
Наталия Клименко: новые стройматериалы
Кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов Факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ имени Д.И. Менделеева
Наталия Клименко занимается разработкой щелочеактивированных материалов. Это новый класс строительных материалов, которые в перспективе могут заменить обычный цемент, потому что имеют по сравнению с ним несколько важных преимуществ. Во-первых, их можно производить из ряда промышленных отходов — зол и шлаков, остающихся после сжигания топлива на электростанциях или выплавки металлов. Во-вторых, при их производстве выделяется до 80% меньше углекислого газа, потому что для этого не требуется высоких температур. В-третьих, щелочеактивированные материалы превосходят цемент по таким характеристикам как прочность, морозо- и влаго устойчивость.
Есть у новой технологии и свои ограничения: щелочеактивированный аналог цемента сложнее в применении, потому что содержит щелочной компонент, работа с которым требует соблюдения особых мер безопасности. Кроме того, как и традиционный цемент, такой материал сам по себе слишком хрупок — говоря научным языком, имеет низкую прочность на растяжение и изгиб. Клименко с коллегами решают эту проблему, армируя его углеродными волокнами, извлеченными из отходов композитных материалов — стекло- и углепластиков, которых в мире становится все больше (например, они широко используются в авиастроении). Такое использование отходов позволяет дополнительно экономить деньги и меньше загрязнять природу.
Щелочеактивированные материалы сейчас становятся актуальным трендом во всем мире. Например, в Австралии уже есть действующий аэропорт, построенный с использованием таких инновационных стройматериалов. На закате существования СССР по той же технологии было построено несколько домов в Липецке — и спустя несколько десятков лет они стали только прочнее, как показал анализ кернов, взятых из стен.
«Массово в России такие строительные материалы пока что не применяются. Но мы уверены, что у них большие перспективы и в нашей стране» — говорит Наталия Клименко.