Газета "Известия" 2 августа 2002 года

Наноприцел для химика
Малая частица попадает точно в цель

Довольно давно, лет тридцать назад, ученые заметили, что большая частица катализатора, то есть вещества, ускоряющего химическую реакцию, ведет себя совсем не так, как малая. Профессор Будар из Стэнфордского университета ввел даже представление о структурно чувствительных и структурно нечувствительных реакциях. В присутствии массивных частиц катализатора, а это все используемые ныне, первые реакции не протекают. Они идут, только лишь если частичка активного компонента имеет очень малый размер - диаметром в несколько ангстрем.

Как это выглядит на практике? Возьмем, например, очень широко используемую реакцию гидрогенолиза углеводородов. Во время нее катализатор разрезает длинную углеродную цепочку на короткие фрагменты. Например, массивный кусок никеля разделяет пролетающую над ним молекулу гексана из шести атомов углерода на шесть молекул метана. Ему все равно, как разрывать цепочку. Если же взять частичку никеля размером менее 10 ангстрем, которая состоит всего из нескольких десятков атомов, то она разрежет молекулу гексана точно между четвертым и пятым атомами. И нигде больше! То есть перед химиком открывается возможность полного контроля над химической реакцией, а это необходимо для технологий нового века.

К сожалению, до недавнего времени никто не умел работать с частичками размером в ангстремы. Да это и непросто - они взаимодействуют друг с другом, слипаются в конгломераты и теряют свои специфические свойства малых частиц.

Но вот возникло и стало активно развиваться направление, названное модным словом <нанотехнология>: получение и работа с мелкими, размером в нанометры, то есть сотни ангстрем, объектами. Если сделать наночастицу из какого-то инертного материала, а по ее поверхности разбросать совсем уж мелкие вкрапления активного металла-катализатора, то работать станет значительно проще. Более того, эти наночастицы можно попытаться поместить на какой-то носитель, скажем пленку полимера, и тогда получится готовый катализатор - не вещество, а материал, пригодный к использованию. Однако как же делать такие частички?

Тут на помощь пришло другое модное направление - сверхкритический флюид. Это состояние вещества, промежуточное между газом и жидкостью. Оно возникает при одновременном достижении критических температуры и давления. Скажем, вода становится сверхкритической при температуре 374 градуса и давлении 220 атмосфер. В этом состоянии резко меняются все свойства вещества. Даже безобидный углекислый газ становится мощным экологически чистым растворителем.

В Ноттингемском университете работает Мартин Поляков - один из самых активных пропагандистов использования для химических реакций сверхкритических сред. Мы с ним несколько лет назад начали сотрудничество по разработке способа приготовления нанокристаллических оксидных материалов и исследованию их свойств, - говорит академик Лунин. <Сверхкритика> позволила нам получить чрезвычайно маленькие, размером в 5 нм частички при очень равномерном распределении их по размерам. Мы впервые приготовили с использованием сверхкритической воды нанокатализаторы, когда оксид циркония или алюминия содержит частички активного элемента - никеля, кобальта или платины - совсем уж малого размера.

Когда ученые с химического факультета научились готовить палладий или кобальт на оксиде циркония, то обнаружили, что температура работы катализатора снизилась на 150-200 градусов. Размер очень сильно сказался на селективности катализатора при изготовлении углеводородов из синтез-газа. Это тоже очень модная для современной химии тема: сейчас много говорят о том, что синтез-газ, то есть смесь водорода и угарного газа, в огромном количестве можно получать из бытовых отходов, а потом использовать его как химическое сырье. Увы, реакции в нем на массивном катализаторе дают на выходе огромный букет продуктов, содержащих от одного-двух до нескольких десятков атомов углерода в цепочке. Потом их приходится разделять. Нанокатализатор направленного действия способен заменить такой букет веществом с молекулами из пяти-семи атомов углерода. Эта возможность открывает множество интересных направлений исследования: нанокатализаторы разного размера позволяют осуществлять желательные направления каталитической реакции. В идеале хотелось бы иметь библиотеку катализаторов и использовать их для синтеза конкретных веществ.

Для меня получение главной премии МАИК - это большая честь, - отмечает Валерий Лунин. - Особенно приятно, что ею отмечен международный коллектив, в который помимо наших исследователей входят и Мартин Поляков, и французские ученые из университета Де Литораль (Дюнкерк) - Антуан Абукаис и Елена Жилинская.