Современное оборудование нужно химикам для изучения структуры и свойств новых соединений, чтобы в будущем создавать из них лекарства, сверхпрочные пластики, умные полимеры, средства для хранения информации и многое другое. В этом материале — рассказ о том, как новое оборудование поможет в исследованиях ученым ИНЭОС им. А. Н. Несмеянова.
Фото: Коммерсантъ / Роман Яровицын / купить фото
Фото: Коммерсантъ / Юрий Мартьянов / купить фото
В 2019 году Институт элементоорганических соединений Российской академии наук имени А. Н. Несмеянова получил целевую субсидию на обновление приборной базы. Средства были выделены Минобрнауки России по федеральному проекту «Развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок в РФ» (национальный проект «Наука»). Всего в 2019 году поддержку получили 111 ведущих научно-исследовательских организаций.
ИНЭОС РАН — крупный научно-исследовательский центр, в котором развивается химия элементоорганических и высокомолекулярных соединений. Научная деятельность многих лабораторий института осуществляется на стыке химии и физики. Ученые занимаются разработкой методов направленного синтеза различных соединений и создают вещества с заданными свойствами для высокотехнологичных отраслей промышленности, биотехнологии, медицины и сельского хозяйства. На грант Минобрнауки России институт закупил рентгеновский дифрактометр Bruker D8 Quest и дифференциальный сканирующий калориметр Mettler Toledo DSC 3 с модулем для термомеханического и дифференциального термического анализа TMA/SDTA 2+. В этом году в ИНЭОС планируют закупить еще два масс-спектрометра.
О создании новых соединений
Органическая химия основана на четырех элементах: углероде, водороде, кислороде и азоте. Чтобы химия стала элементоорганической, к вышеперечисленным четырем элементам добавляют другие из периодической таблицы Менделеева. И тогда количество возможных соединений, реакций и материалов, которые можно создать, возрастает практически до бесконечности. Быстро понять, что за новое соединение получилось, можно при помощи физических методов исследования. Именно так химия стала наукой, в которой невозможно работать без современного оборудования: спектрометров, спектрофотометров, дифрактометров и других.
ИНЭОС имени А. Н. Несмеянова стал одним из первых институтов в России, в котором появился Центр коллективного пользования (ЦКП ФИМИС) — структурное подразделение, где собрано передовое научное оборудование. Оборудованием текущего ЦКП — Центра исследования строения молекул ИНЭОС РАН — пользуются сотрудники из десятка организаций, в том числе из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского, Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова, химфака МГУ.
«Пользоваться оборудованием может любой желающий, прошедший соответствующее обучение. Мы многих обучаем своими силами, проверяем, достаточно ли у них квалификации,— сообщает руководитель ЦКП ИНЭОС РАН, доктор химических наук Юлия Нелюбина.— Основная причина, почему исследователи хотят научиться работать на приборе,— чтобы самостоятельно характеризовать свои вещества в удобном им режиме. У каждого из них есть для этого выделенное время, чтобы ученый мог самостоятельно пользоваться оборудованием, получать данные и продолжать свои синтетические исследования».
Работоспособность пластика
Дифференциальный сканирующий калориметр — один из самых нужных приборов для тех, кто занимается полимерами: синтезирует полимеры, получает новые пластики, резины, композиционные материалы.
«Всем известно, что при нагреве пластика он начнет размягчаться или плавиться, а если погрузить резину в жидкий азот и затем стукнуть по ней молотком, она расколется. Полимеры под воздействием температуры меняют свои свойства. Это связано с тем, что в полимерах, в зависимости от типа и структуры, при повышении или понижении температуры происходят различные фазовые переходы. Самый простой пример — кристаллизация или плавление. В полимерах помимо кристаллизации возможен переход из стеклообразного состояния в эластическое. Температура этого перехода называется температурой стеклования полимера,— рассказывает замдиректора ИНЭОС РАН Валентин Новиков.— Дифференциальный сканирующий калориметр может измерить, при какой температуре в веществе происходит фазовый переход».
У прибора модульная конструкция для ручных или автоматических измерений. Диапазон температур составляет от -150 до 700 °C в одном цикле. Ученый берет два тигля, в один засыпает вещество, второй оставляет пустым. Затем запускает калориметр. Прибор нагревает или охлаждает оба тигля с одинаковой скоростью изменения температуры. В тигле с веществом энергия будет тратиться на нагрев и другие преобразования в образце. Выходные данные записываются в виде диаграммы изменения теплоемкости образца от температуры. Любое изменение в образце, вызванное его нагревом или охлаждением, отразится на этой диаграмме. Ее анализ позволит определить, в каком интервале температур можно использовать полимер, не боясь, что он резко изменит свои свойства: станет хрупким, вместо жесткого пластика превратится в мягкую резину или вообще разложится.
Для чего ученые просвечивают кристаллы рентгеном
Дифрактометры предназначены для определения структуры новых химических веществ, то есть того, как атомы в молекуле связываются друг с другом, а молекулы — с соседними молекулами в кристалле. Это необходимо для понимания свойств новых материалов.
Принцип работы будет понятен всем, кто проходил флюорографию. Аналогично тому, как человеку делают «фотографию» его легких, ученые делают «рентгенографию» кристаллу. Рентгеновские лучи проходят через него и отражаются в разные стороны. Эти отражения ученые собирают с помощью детектора и анализируют.
«Из данных, полученных на этом приборе, мы можем практически “увидеть” атом, понять его тип и то, как он связан с другими атомами в молекуле. Это нужно для того, чтобы подтвердить, что химик получил именно то, что хотел,— объясняет Юлия Нелюбина.— Кроме того, мы можем не только понять, что за химическое соединение у нас получилось, но и попробовать объяснить его свойства. Это важно, например, для фармацевтики, где разное взаимное расположение молекул одного и того же химического вещества приводит к разным свойствам, например скорости растворения таблетки в организме».
А если настроить дифрактометр на более высокое разрешение, то можно увидеть распределение электронов. Это позволит понять, как они размещаются между атомами, определяя свойства молекул и построенных из них материалов.
Зная, какие силы взаимодействуют между молекулами, ученые могут получать вещества с заданными свойствами.