Институт химии растворов РАН: фундаментальные открытия и технологические инновации
Институт химии растворов Российской академии наук ведет свою историю с 1974 г., когда в Ивановском химико-технологического институте усилиями тогдашнего ректора ИХТИ Г.А. Крестова была создана лаборатория химии неводных растворов АН СССР. В то время научная школа Крестова развивала принципы нового структурно-термодинамического подхода к исследованию сольватации и разрабатывала теоретические основы химии неводных растворов. В 1981 г. постановлением Президиума АН СССР был создан Институт химии неводных растворов АН СССР, и Геннадий Алексеевич, к тому времени член-корреспондент АН СССР, лауреат Государственной премии СССР и заслуженный деятель науки РСФСР, стал первым директором института.
Сегодня целью и предметом деятельности института является организация и выполнение фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований мирового уровня по проблемам теории растворов, получения новых материалов, разработки современных химических технологий с использованием растворов, а также инновационная деятельность, направленная на внедрение полученных научных результатов в производство.
В рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» ИХР РАН активно действует на пяти технологических платформах: «Медицина будущего», «Биоиндустрия и биоресурсы»; «Биоэнергетика»; «Новые полимерные композиционные материалы и технологии»; «Текстильная и легкая промышленность».
Множество уникальных технологических разработок в различных отраслях – от текстильной химии до микроэлектроники и фармакологии – подтвержденных патентами и доведенных до опытных образцов, сочетаются в деятельности института химии растворов с глубокими и прорывными исследованиями в фундаментальной науке. Как доводят ученые свои разработки до практического использования? Как строится взаимосвязь академического института и промышленных предприятий и их научных центров?
Открывать закономерности будущего
На вопросы «Вестника химической промышленности» отвечает доктор химических наук, директор ИХР РАН М.Г. Киселев.
– В ходе подготовки мегапроекта «Импортозамещение критической химической продукции» в очередной раз остро встал вопрос о месте академической науки в разработке и внедрении новейших и импортозамещающих технологий в производство. Академическая наука, вузовская наука и прикладная наука, ныне существующая в форме научных центров крупных химических корпораций, явно недостаточно связаны между собой. В результате серьезно «провисают» остро актуальные исследования, которые должны обеспечить технологический суверенитет России в химической сфере.
– Очевидно, что необходимо сократить расстояние между фундаментальной наукой и промышленностью. Особенно учитывая тот факт, что прикладные институты уже не существуют или существуют в формате R&D при некоторых организациях. Рассчитывая на собственные R&D-центры, такие организации отказываются сотрудничать с академической наукой. Нам, в свою очередь, крайне сложно дотянуться до промышленности, поскольку процесс масштабирования наших разработок требует много временных и финансовых затрат. Известна формула: масштабирование научной разработки ценой в 10 миллионов будет стоить как минимум в 10 раз дороже.
Очень часто наши разработки, в том числе те, которые уже доведены до стадии действующих технологий, не доходят до производства. Скажем, на днях общались с представителями одной промышленной группы относительно глубокой переработки льна до целлюлозы, пригодной для производства продукции двойного назначения, в том числе целлюлозы для изготовления артиллерийских порохов и твердого ракетного топлива, перевязочных средств, текстильных материалов и т.д. Есть интерес, есть понимание, что именно сегодня надо реализовать данную разработку. Но отсутствие промежуточного звена, когда можно было бы продемонстрировать на уровне полупромышленного производства ее эффективность, сводит на нет интерес промышленников.
Еще пример: крупная российская фармацевтическая компания заинтересовалась нашим гелем с метатриксатом. Это известное соединение, изначально разработанное для лечения онкозаболеваний, сегодня используется также для лечения аутоиммунных заболеваний. Институт предложил новую форму лекарства, которая позволяет существенно увеличить его эффективность. Фармкомпания хочет запустить нашу инновацию в серию, но не готова взять на себя предклинические и клинические испытания. Чтобы сертифицировать такой гель для использования его в качестве новой формы фармацевтического средства, требуется вложить огромные деньги! Тут даже речь не о том, что мы, разработчики, не имеем компетенций в проведении таких испытаний и сертификации. Оказывается, что условия проведения доклинических испытаний крайне невыгодны и цены на них завышены. И такое торможение на пути очень нужных обществу и государству инноваций мы встречаем повсеместно. Процедура масштабирования научных разработок если не разрушена, то крайне осложнена.
Другая сторона вопроса – заинтересованность бизнеса в новых разработках. Казалось бы, она должна быть – наука всегда и везде была важным и интересным объектом вложения денег. К сожалению, у российского бизнеса такого отношения к отечественной науке пока не сложилось. Лучше купить – хоть на Западе, хоть на Востоке – готовую технологическую линию, чем вкладывать деньги в ученых и их исследования. Во многом это связано с тем, что общего языка науке и бизнесу пока выработать не удалось.
Очевидно, в каждой большой промышленной группе должна быть собственная R&D-команда, которая может оценить новые научные разработки. Ученым надо разговаривать не с промышленниками, а с представителями групп, которые занимаются внедрением, доведением научных разработок до производственной фазы. Пока этого нет, мы вынуждены вести переговоры с людьми, которые занимаются подсчетом денег, и то, что мы говорим им о необходимости затрат на масштабирование разработок, – для них пустой звук.
Действующую схему мы видим на примере тех стран, где высокие технологии используются повсеместно, где возникают новые наукоемкие продукты. Люди, которые работают на передовых предприятиях, изучают то, что происходит в науке, контактируют с учеными и помогают им наметить будущие векторы разработок в фундаментальной науке. Когда такое взаимодействие складывается, происходят впечатляющие прорывы как в науке, так и во многих сферах производства.
Мы видим, что процесс начался, что заинтересованность предприятий в новых разработках появилась. Мы убеждаемся в том, что у промышленности есть желание пытаться применить наши разработки. Но у промышленников нет понимания того, чем должна, а чем нет заниматься наука. Они предполагают, что люди фундаментальной науки должны сами доводить свои разработки до реализации в промышленности. Упускают, что процесс масштабирования лабораторных разработок стоит очень дорого, гораздо дороже фундаментальных разработок. Даже если государство дает деньги на НИОКР, фундаментальщикам бессмысленно ими заниматься. Это не наше дело. Этим должны заниматься прикладники. У нас разные подходы – и они должны быть разными. Тот, кто занимается фундаментальной наукой, должен иметь дерзость, чтобы совершить некий скачок, забывая о технологических трудностях реализации своих идей. Прикладник должен или убедить его в том, что такой скачок невозможен, или подумать о том, как эту разработку реализовать.
– Сейчас много говорится и делается в целях восстановления технологического суверенитета в сфере малотоннажной химии. Какую роль могла бы сыграть здесь фундаментальная наука?
– Проблемы малотоннажной химии – не для фундаментальной науки. Как производить продукты малой химии, давно известно. Так что это проблема исключительно разрушенной прикладной науки. В нынешней ситуации создание научных групп, встроенных в структуру предприятий, – путь, который восстановит в памяти все необходимое для производства малотоннажки. Тут нет никакого интереса для нас.
Фундаментальная наука – как профессиональный спорт. Она должна соответствовать мировому уровню, а иначе она вовсе не нужна. Можно просто прочитать статью, увидеть конкретную разработку – и внедрять. Зачем содержать институты, которые не соответствуют «высшей лиге»? Если мы их содержим, то они должны создавать большую науку, открывать закономерности будущего. А их идеи, уложенные в технологические линии и цепочки, нужно доводить до промышленного производства. Если отяготим фундаментальные институты малотоннажкой, уровень науки упадет, люди будут отвлекаться, заниматься рутиной.
– Однако есть Институт катализа Сибирского отделения РАН, который с успехом продвигает фундаментальные исследования и одновременно создает и запускает даже не технологические линии, а целые заводы!
– Институт катализа реализует именно ту конструкцию, о который я говорю, пусть и несколько иначе. Люди, работающие в нем, – ученые фундаментальной науки. Но есть сателлитные организации, прежде всего Омский Центр новых химических технологий, они и реализуют технологические цепочки, доводят до промышленных линий разработки катализаторов, которые стартуют в рамках фундаментальной науки.
К сожалению, Институт катализа – скорее исключение, чем правило. Есть еще ВИАМ, который всегда имел связь с разработками технологического плана для ВПК. Другим академическим институтам, в том числе и нашему, прочную и взаимовыгодную связь с промышленностью создать не удается.
– Какие работы ИХР вы могли бы назвать в качестве самых главных, основных сегодня?
– Я руковожу группой, ведущей исследования в сфере сверхкритических флюидных технологий. Это широкий спектр задач, который реализует целый консорциум организаций. У его истоков стоял академик, декан и впоследствии первый президент химического факультета МГУ Валерий Васильевич Лунин.
Сверхкритические флюиды – направление будущего, создающее новые измерения зеленой химии. Для сверхкритических флюидных технологий, где используются высокие давления и температуры, мы можем применять только те растворители, которые являются зелеными – воду, углекислый газ, инертные растворители. Таким образом, такие технологические процессы являются абсолютно чистыми с точки зрения экологии.
Найдены уже некоторые направления, где применение флюидных технологий интересно и выгодно. Прежде всего, это фармацевтика, где сверхчистые соединения очень важны и наиболее эффективны. Это аэрогели – материалы, которые обладают очень малым весом, значительно легче воздуха, и сохраняют при этом высокую прочность. Обладая высокими теплоизоляционными свойствами, они могут применяться в качестве эффективных и супертонких изоляторов. Возможно их применение для создания композиционных материалов, содержащих квантовые точки. Много говорим про Арктику, а сверхкритические флюиды могут создать совершенно иные условия для ее освоения. Уже разработаны эффективные способы получения морозостойких и гидрофобных покрытий из флюидов, есть даже полупромышленные установки для их нанесения.
В области использования сверхкритических флюидов, ионных жидкостей и золь-гель-процессов ИХР РАН занимает лидирующие позиции не только в Российской Федерации, но и в мировой науке. В институте в 2018 г. была создана Уникальная научная установка (УНУ) – комплекс оборудования для спектральных измерений сверхкритических флюидов, он единственный в мире оснащен специальными ячейками для получения колебательных инфракрасных спектров и спектров ядерного магнитного резонанса при сверхкритических параметрах состояния.
Объединяющая идея всех наших исследований содержится в названии института – химия растворов. Объект наших исследований – реакции и материалы, которые делаются в растворах или из растворов. Если взять сверхкритические флюидные технологии, то в них в качестве растворов используют сверхкритические флюиды. Разработка новых сенсоров осуществляется посредством макрогетероциклических соединений. Большинство химических реакций, включая многотоннажные химические производственные процессы и «тонкие» биохимические процессы в живых организмах, связаны с эффектами сольватации. Химия растворов – центральная составляющая в химической науке, естественным образом связывающая такие области знаний, как физическая химия, химическая физика, молекулярная биология, статистическая механика, биохимия и биофизика, химия материалов.
Химическое будущее традиционных волокон
Одним из важнейших направлений деятельности ИХР РАН является текстильная химия. О достижениях в этой области и трудностях, с которыми ученые сталкиваются при попытках внедрения уникальных разработок, рассказал профессор, доктор технических наук, заведующий лабораторией Института химии растворов РАН А.П. Морыганов.
– С конца 1990-х годов лаборатория занималась исследованием химических и структурных превращений льняной целлюлозы в щелочно-восстановительных и щелочно-окислительных системах. Отсюда родилось и главное направление прикладных исследований: разработка методов механохимической модификации короткого льноволокна для получения волокнистых материалов с заданными свойствами для производства широкого ассортимента изделий бытового, технического и медицинского назначения. В первой половине 2000-х годов был получен (частично в лабораторных, а частично и в производственных условиях) целый комплекс новых продуктов из низкономерного льноволокна. Это и модифицированное льноволокно природного серого цвета или окрашенное для получения смесовой пряжи и льносодержащих тканей постельного, одежного и сорочечного ассортимента или трикотажных изделий, и отбеленное волокно для получения различных медицинских материалов, и технические изделия со специальными свойствами, и, наконец, целлюлоза для получения продукции двойного назначения. В те годы мы по договору с Центробанком получили опытную партию льноцеллюлозы, из которой на предприятии «Гознака» была изготовлена партия купюр, отличавшихся повышенными прочностными свойствами.
Институт много лет «пробивает» современные методы изготовления медицинской продукции на основе отбеленного льноволокна. В середине «нулевых» годов по контрактам с Главным военно-медицинским управлением Минобороны России в ИХР РАН были разработаны несколько модификаций хирургической льноваты и антимикробные перевязочные средства на основе отбеленного высокосорбционного льноволокна. Изделия прошли полный цикл необходимых испытаний, государственную регистрацию, разрешены к промышленному производству и медицинскому применению, рекомендованы для принятия на обеспечение лечебных учреждений Минобороны России. Институтом было заключено несколько лицензионных договоров, и в 2011 г. впервые в России было построено и введено в эксплуатацию в г. Калачинске (Омская область) предприятие по производству отбеленного льноволокна и льноваты – завод «ЛенОм». В 2013 г. по лицензионному договору с ИХР было запущено еще одно предприятие по производству отбеленного льноволокна и льноваты – «АПК «Вологодчина» в поселке Шексна Вологодской области. В 2012 г. ИХР РАН получил премию Правительства РФ в области науки и техники за комплексную работу «Разработка и промышленное освоение эффективных технологий производства инновационной продукции текстильного, медицинского и технического назначения из отечественного низкономерного лубоволокнистого сырья». Однако широкого применения разработки лаборатории так и не нашли…
В 2020-х гг. были получены биологически активные текстильные материалы из целлюлозных и синтетических волокон с использованием композиций на основе наночастиц серебра. Мы разработали экономичный и легко реализуемый способ синтеза таких композиций и нанесения их на ткани, нетканые полотна, готовые изделия. Полученные в полупромышленных условиях материалы показали высокую биологическую активность. Они полностью подавляли действие не только микробов и грибков, но и вирусов, в том числе печально актуального SARS-CoV-2.
Удалось найти предприятие, которое сумело организовать требуемые испытания, и наши опытные образцы таких перевязочных средств их успешно прошли. Это открывает перспективы использования биологически активных текстильных материалов, модифицированных композициями на основе наночастиц серебра, для различных медицинских применений. Кроме того, из таких материалов возможно изготовление антимикробной защитной одежды, салфеток, нательного и постельного белья для больниц, антимикробных мебельных тканей, лечебных носков и т.д.
По договорам с московским предприятием «Колетекс», более 30 лет занимающимся разработкой и производством лечебного медтекстиля, и в рамках госпрограммы по новым медицинским технологиям, в нашей лаборатории были созданы формоустойчивые альгинат-хитозановые матрицы на основе льноволокна для пролонгированного высвобождения лекарственных препаратов. Полученные препараты прошли полный цикл испытаний в трех ведущих онкологических центрах Москвы и Санкт-Петербурга, сертифицированы и стали успешно применяться для лечения некоторых видов рака.
***
Институт химии растворов продолжает и развивает свою многогранную деятельность. Очень хочется надеяться, что в готовящемся мегапроекте «Импортозамещение критической химической продукции» найдется место для уникальных, прорывных разработок ИХР, и он займет достойное место в будущей «экосистеме» технологического развития химической промышленности.
