Чудо из пробирки (фото)

Институт катализа СО РАН носит имя советского химика Георгия Борескова, который приехал в Сибирь из Москвы в конце 1950-х, когда Академгородок только был основан. Будучи специалистом в узкой химической сфере, Боресков изучал катализаторы — вещества, ускоряющие реакции, и в 1958 году основал в Новосибирске институт с перспективным научным направлением. В частности, именно Боресков работал над катализаторами, которые помогли обеспечить весь СССР серной кислотой. Сегодня успешность промышленности измеряется, в частности, и по оборотам этого вещества, рассказывает кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории каталитических процессов в топливных элементах Дмитрий Потёмкин. Фактически разработка Борескова дала толчок всей отечественной промышленности, включая транспорт и военную сферу, отмечает он.

Портрет основателя института, со дня рождения которого 20 апреля исполнится 110 лет, украшает центральный холл здания. Как и в других институтах, здесь есть подземные лаборатории, витиеватые переходы, а пол под ногами гудит от мощной системы вентиляции, которая пронизывает все здание. Под портретами директоров института — своеобразный парад достижений. Здесь в небольших колбах насыпаны шарики и трубки толщиной в несколько миллиметров различных цветов и текстур. Это и есть катализаторы — форма и состав каждого зависят от вопросов, которые в итоге они должны решить. К примеру, это может быть ткань для фильтра, сетка или привычный для многих автолюбителей нейтрализатор. За годы своего существования институт синтезировал сотни таких катализаторов, рассказал Потёмкин.

«Катализатором может быть газ, жидкость, но чаще это твердое вещество. Катализатор можно сравнить с губкой для посуды, в нем много пор, в которые внесен какой-то активный компонент, например наночастицы платины. Так как для катализатора важна площадь соприкосновения, просто добавить в реакцию платину неэффективно. Но если разбить ее на мелкие кусочки и заполнить ими "губку", то будет работать вся поверхность материала», — рассказывает ученый. Кроме получения серной кислоты «хитом» института ученый называет одну из самых свежих разработок — гидрообессеривание нефти.

Последние 7–10 лет в институте работали над созданием катализатора, который позволял бы делать бензин вообще без примесей серы, хотя в некоторых его видах содержится до 3 % вредных примесей. Это может, например, негативно сказываться на двигателях, а выхлопы от сжигания богатого серой топлива становятся причиной кислотных дождей. Сегодня эта технология обессеривания внедряется на крупнейшем в стране омском НПЗ на установке гидроочистки дизельного топлива, для которой требуется около 40 тонн катализатора.

Потёмкин не сомневается в том, что катализ — одно из ведущих направлений в мировой науке: «Проблематика института очень широкая, возможно, она не так видна общественности, как ускорители у коллег из ИЯФ, но, куда ни ткнись, везде есть процессы, связанные с катализом. В том же "айфоне" есть пластик, который получен с помощью каталитических процессов, не говоря уже о лекарствах».

В подземелье института находятся лаборатории, в которых приборы спасаются от вредного для измерений излучения от телефонов и других устройств, а также от лишних вибраций. В одном из помещений — установка рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), на которой ученые пристально изучают свойства катализаторов. Фактически они обстреливают образец рентгеновскими квантами и по датчикам смотрят, как он реагирует в разных температурах или как меняется его химическое состояние, объяснил кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории исследования поверхности Игорь Просвирин. Это нужно для того, чтобы проанализировать все свойства катализатора и избежать при использовании неприятных сюрпризов.

В соседней лаборатории под электронным микроскопом смотрят, что с катализаторами происходит после реакций. Самый главный принцип, который знают химики всего мира, звучит как «катализатор никогда не расходуется».

Тем страннее выглядела детективная история на одном из производств в 1980-е годы, которую рассказал кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории структурных методов исследования Евгений Супрун. «Они (ученые. — Н.Г.) загрузили в реактор размером с эту комнату катализатор — платино-палладиево-родиевую сетку. Год ее гоняли, выгрузили и увидели, что не хватает нескольких килограммов катализатора, а это подсудное дело. Родий, к примеру, сегодня стоит 3–4 тыс. руб. за грамм. Начали с помощью такого микроскопа исследовать, куда делось, и увидели коррозию сетки, она изменила форму наподобие того, как стареет человеческая кожа. Оказалось, что некоторые кусочки катализатора держатся на очень тонких ножках, поэтому поток газа отрывал и уносил в вентиляционные фильтры дорогущий катализатор», — рассказал Супрун.

Тогда утечку родия выявили с помощью микроскопа с увеличением в 300 тыс. раз. Для наглядности таких возможностей оборудования корреспонденту НГС.НОВОСТИ показали снимки мертвого муравья. Эта студенческая работа хорошо иллюстрирует принцип работы прибора: электронный пучок существует только в вакууме (поэтому муравей мертв) и отражается только от проводящих веществ (поэтому муравья покрыли золотом). Увеличение картинки в тысячи раз позволило разглядеть даже ворс на голове у насекомого. Однако институт специализируется не только на катализаторах, но и на других, более изощренных химических технологиях.

К примеру, в лаборатории на фото ниже делают аэрогель — фактически это стекло с 99,8%-ным содержанием воздуха. Корреспондент НГС.НОВОСТИ повертела в руках кусок этого вещества — оно действительно очень легкое и скорее напоминает пустую пластиковую коробку, чем самый передовой в мире изолятор, которым и является. Сегодня аэрогель института используется в датчиках коллайдеров и на Международной космической станции. 1,2 литра этого вещества (такой объем и изображен на снимке) стоит 3 тыс. долл., рассказал кандидат химических наук Антон Шалыгин. Таких характеристик прозрачности пока что добились только в Новосибирске.

«Пекут» аэрогель в одном из отсеков бронированного бункера. Жидкую субстанцию заливают здесь в форму, накрывают 150-килограммовой крышкой и выдерживают какое-то время под давлением. Во время сушки в помещении нельзя находиться — людей от возможных ЧП защищают стальные стены толщиной 20 см и специальный потолок, который может принять удар на себя в случае взрыва котла. За всю историю института в советские годы был только один такой случай — никто, к счастью, не пострадал.

Другое нефтяное направление института связано с получением альтернативного источника топлива. В Европе уже давно перерабатывают свеклу для получения биоэтанола, рассказывает кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории каталитических процессов переработки возобновляемого сырья Мария Алексеева. Такое топливо стоит дешевле обычного бензина в 40 раз. В Новосибирске же озаботились приготовлением бионефти из опилок и водорослей. Из Голландии в институт приходит бионефть, а здесь ее с помощью катализаторов превращают в моторное топливо.

Нефть из опилок имеет резкий агрессивный запах, напоминающий копченую мойву, в этом корреспондент НГС.НОВОСТИ убедилась лично. Сейчас проект еще не внедрен, идут лабораторные испытания. На фоне падения цен на саму нефть проект продвигается медленно, но верно, уверяет Мария.

В другой лаборатории института катализа работают биологи — они выращивают «жирные» водоросли для тех же целей. Штаммы микроводорослей, которые дают больше липидов, тоже могут стать сырьем для биотоплива. В небольшой лаборатории хлореллу в колбах тестируют на скорость роста и жирность. Каталитики уже получали биодизель из зеленой массы, и сейчас институт работает над удешевлением продукта.

Катализ используется и для получения новых материалов с добавлением углеродных нанотрубок. Старший научный сотрудник лаборатории наноструктурированных углеродных материалов Сергей Мосеенков показал НГС.НОВОСТИ 2-этажную установку, которая делает нанотрубки в промышленных масштабах — по 3–5 кг в день. Они нужны для усовершенствования композитных материалов, одно из главных направлений сегодня — создание изоляции для кабелей. Одностенные нанотрубки конкурентов могут стоить сотни тысяч рублей, а здесь углеродная добавка обходится в 15 тыс. руб. за 1 кг, рассказал Мосеенков.

Во всех этих испытаниях ученым помогают стеклодувы. В институте есть своя мастерская, где сотрудники выдувают при температуре 800 градусов сложнейшую химическую посуду со множеством составляющих. Стеклодувная сохранилась с советских лет, раньше здесь работали десятки человек, вспоминают сотрудники института. Сейчас работников трое.

На одну сложную многосоставную фигуру у стеклодува может уйти до 12 часов, стоимость такой штуковины стеклодувы затруднились оценить, однако подчеркнули, что они здесь работают уже десятки лет и никто в городе больше не делает настолько сложные образцы.

От катализа напрямую зависит будущее многих сфер экономики — от производства материалов до топлива и электроники, заключает сотрудник института Дмитрий Потёмкин: «Этот процесс влияет на 30 % мирового ВВП и 15 % ВВП России».