30.04.2021
В начале апреля коллеги поздравили профессора кафедры аналитической химии и химической экологии Сергея Николаевича Штыкова с победой в конкурсе инициативных проектов Российского научного фонда. Его проект «Многофункциональные наноплатформы как инструмент концентрирования и определения биологически активных веществ» в ближайшие три года будет выполняться на кафедре аналитической химии и химической экологии.
Научные заслуги заслуженного деятеля науки РФ Сергея Николаевича Штыкова достойны отдельного рассказа. Сегодня мы остановимся на его последних исследованиях, связанных с нанохимией и нанотехнологиями.
– Сергей Николаевич, когда-то фундаментальные открытия в химии способствовали и открытию огромного количества промышленных предприятий по всей стране. Следует ли нам ждать новых прорывов в фундаментальной химии?
– В XXI веке серьёзно меняются цели исследований, методы и области применения новых открытий. Если раньше огромное значение имели технологии производства материалов в больших объёмах – например нефтепродуктов, стали или сплавов, – то сегодня наука всё больше ориентируется на создание интеллектуального товара. Часто прорывы происходят в областях, где не всё можно разглядеть невооружённым глазом. Яркий пример – исследования в области нанотехнологий, которые должны опережать запросы учёных-практиков и на основе найденных эффектов помогать им разрабатывать и применять новые материалы.
В этих условиях значительно возрастает роль фундаментального знания. Специалисты теперь исследуют вещество (чем, собственно, и занимается химия) не столько вширь, сколько вглубь. Важно понять такие его состояния, которые недоступны обычным микроскопам, их можно изучить только специальными – атомно-силовыми, сканирующими туннельными.
Мы живём в начале нанотехнологической эры, которая уже отмечена открытием целого ряда удивительных эффектов. Они позволяют при относительно небольших капиталовложениях создавать уникальные технологии будущего. Например, новые компьютеры на основе открытий в микроэлектронике, или, как сейчас говорят, в наноэлектронике, будут использовать наночастицы, способные самоорганизовываться и создавать определённые периодические структуры. Наночастицы уже применяются в медицине для доставки лекарств непосредственно к поражённому органу. С их помощью медики смогут более точно оценивать области заболевания в организме человека.
Химические процессы лежат в основе как биологических, так и физических явлений. Вот почему сегодня всё чаще говорят о том, что появление нанонауки в каком-то смысле вернуло нас к античным временам, когда мир воспринимался единым, цельным, а способы его познания ещё не делились на отдельные исследовательские направления. По этой же причине сегодня многие научные коллективы, в том числе в нашем университете, всё чаще объединяют химиков, физиков, биологов, медиков, материаловедов. Изучая наночастицы, мы пытаемся более простыми и доступными средствами воспроизвести процессы самоорганизации природы, которые формировались миллионы лет. Это непросто представить, но современные нанотехнологии уже позволяют нам контролировать отдельные молекулы и даже атомы, но что важнее – объединение их в наночастицы нужного размера и формы, то есть целевое получение наноматериалов.
– О нанотехнологиях широко заговорили 20 лет назад. Одно время на эту тему было очень много журналистских публикаций. Не возникает ощущения, что общественный интерес к этой теме несколько поостыл?
– Это закономерно. Когда-то вспышка массового интереса была вызвана появлением в 1996 году книги американского учёного Эрика Дрекслера («Машины создания: грядущая эра нанотехнологий»), в которой он описывал возможные ужасные последствия развития нанотехнологий: что нанороботы, например, смогут создавать сами себя, будут безболезненно внедряться в человеческий организм, бегать по кровеносным сосудам, лечить болезни, заштопывать сосуды, убирать бляшки, а в конце концов заменят естественные процессы, и тогда так называемая «серая слизь» окончательно вытеснит человека из мира природы. Общество было в шоке от таких футурологических прозрений. У «зелёных» даже появились мысли запретить наночастицы и нанотехнологии.
Первые десять лет к новым исследованиям действительно был большой интерес. Но, поскольку ничего страшного не произошло, люди к этой теме поостыли. А вот интерес самих исследователей только расширяется. Происходит детальное изучение свойств наночастиц и путей управления этими свойствами. Например, выяснили, что если размер наночастиц некоторых оксидов железа меньше размера магнитного домена, то они могут проявлять эффект суперпарамагнетизма, что позволяет быстро отделять их от раствора действием постоянного магнита. Этот эффект можно применять как для концентрирования нанопримесей, так и для очистки воды от загрязняющих веществ.
Все знают, что такое допинг. Когда-то спортивный допинг приборы не обнаруживали, но ведь эти пробы хранятся до сих пор. И вот, начиная с Олимпиады 2008 года в Афинах, 2012 года в Лондоне, появляется возможность современными методами допинг обнаруживать. В фармакологии выявленные биохимические эффекты позволяют получить более точное и глубокое представление о физиологическом воздействии лекарств на человека: как они накапливаются в организме, во что превращаются.
Нанонаука занимается исследованием эффектов, присущих нанообъектам, а нанотехнология – созданием и использованием веществ, в которых эти эффекты проявляются. В частности, получением квантовых точек полупроводников, углерода, магнитных наночастиц и наночастиц любых других веществ с уникальными свойствами – с переносом энергии или заряда, с намагничиванием, с эффектом свечения. Всё это потом можно использовать и для диагностики в медицине, и для создания нанокомпьютеров или средств преобразования солнечной энергии в электронике.
Мы как раз и занимаемся проблемой концентрирования примесей. Она сводится к тому, чтобы научиться обнаруживать всё меньшую и меньшую концентрацию веществ: например, один атом на сто миллионов атомов наночастиц – ведь именно он-то и может искажать физические свойства вещества. Уже существуют методы, которые позволяют определять один атом, одну молекулу – это предел чувствительности в химии. Наша задача – концентрировать эти супермикропримеси, изучать их свойства и выявлять их в отдельных наночастицах, чтобы затем создавать условия для стандартизации производства наночастиц.
Выявленные эффекты мы пытаемся применять для определения, например, антибиотиков в крови животных. Их производит наша фирма «Нита-Фарм». Её специалисты заинтересованы в том, чтобы знать, сколько времени живёт и действует антибиотик, какова динамика его превращения в организме животных и птицы. Для решения этой задачи мы применяем магнитные наночастицы, которые покрываем специальными полимерными молекулами с положительным и отрицательным зарядами, которые позволяют сорбировать противоположно заряженные антибиотики, или антиоксиданты (рутин, кверцетин), или пищевые и иные синтетические красители.
Наночастицы с большим успехом можно применить и для очистки сточных вод от тяжёлых металлов. Если с какого-то предприятия идут стоки с тяжёлыми металлами, можно в специальном резервуаре получать магнитные наносорбенты, которые будут их концентрировать, затем собирать магнитом и использовать, например, в строительных материалах или утилизировать. Такие наноматериалы часто называют наноплатформами.
Существуют наноплатформы для доставки лекарств. Есть и другие – для концентрирования и удаления не только тяжёлых металлов, но и любых органических токсических соединений. Этим же способом, то есть магнитом, возможно собирать даже разлитые в воде нефтепродукты, которые будут сорбироваться на поверхности магнитных наночастиц. Проблема в том, что мы всё это делаем в лабораторных условиях, в небольших объёмах, а технологам необходимо создавать устройства, способные работать с большими объёмами веществ, может быть, даже в проточном варианте.
Можно перечислять ещё много эффектов, которые можно применять в разных направлениях: в электронике, медицине, биохимии, для оценки динамики развития растений, превращений в живых клетках. В перспективе возможности применения наноплатформ практически не ограничены.
Но, чтобы заниматься нанонаукой, нужны средства. С 1993 года, как только к этому направлению исследований подключился Российский фонд фундаментальных исследований, мы получили 23 небольших гранта (из них 8 исследовательских), в которых я был руководителем. Сейчас мы получили большой грант Российского научного фонда. Наш грант так и называется: «Многофункциональные наноплатформы как инструмент концентрирования и определения биологически активных веществ».
На эти средства мы собираемся приобрести люминесцентный прибор. В планах на следующий год – спектрофотометр, на котором могут работать все студенты. Сейчас пока такая возможность есть только у аспирантов, на единственном японском спектрофотометре. В дальнейшем собираемся приобрести сушильный шкаф для наночастиц и другое вспомогательное оборудование.
– Сегодня осуществлением глобальных проектов в основном занимаются крупные научные химические центры. А где место университетской химии? Решение каких задач ей под силу?
– Университет создает уникальные возможности для универсального подхода к решению научных проблем, для консолидации усилий физиков, химиков, биологов, геологов – всех, кто занимается исследованием вещества. В своё время к нам пришли коллеги с кафедры физики полупроводников, предложили сотрудничать, сказали: вы, химики, умеете работать с веществом, а мы умеем работать с приборами, создавать их. В результате такого сотрудничества появилось большое число публикаций, защит кандидатских и докторских диссертаций. Примером такой консолидации была научная группа одного из моих учеников – профессора Дмитрия Александровича Горина, в которую входили химики, биологи, медики, физики. Они занимались проблемой капсулирования для доставки лекарств. Сегодня этим он продолжает заниматься и в Сколково. Сейчас очень активно в этом направлении работает научная группа профессора Ирины Юрьевны Горячевой, которая взаимодействует с коллегами из Германии и Бельгии. Такой подход позволяет и в университете очень эффективно двигаться вперёд при малых средствах.
– Во время своих заграничных командировок вы читали лекции в разных университетах мира. Означает ли это, что и у нас появились какие-то приоритеты в области химии? Что им интересно?
– Работа нашей кафедры посвящена аналитической химии. Мы были пионерами уже в 1976 году, когда начали заниматься мицеллярными растворами, которые образуются из молекул поверхностно-активных веществ. Мы первыми, опередив японцев, американцев и немцев, написали книгу на эту тему.
Недавно ушедшая от нас профессор Римма Кузьминична Чернова на этой теме взрастила около двух десятков аспирантов, в том числе меня. В свою очередь, уже я подготовил 21 кандидата и 8 докторов наук и очень ими горжусь. Мои выдающиеся ученики: Дмитрий Александрович Горин, который работает в Сколковском институте науки и технологий, Ирина Юрьевна Горячева – один из наших лучших химиков-аналитиков в области иммунного анализа с применением наночастиц. А Татьяна Юрьевна Русанова сейчас заведует нашей кафедрой.
Что касается применения наших систем, то можно привести почти анекдотичный факт. В 1976 году, когда мы начали заниматься реакциями в мицеллах, образующихся в воде, нам и в голову не приходило, что эту воду назовут мицеллярной и будут продавать, хотя принцип её действия был понятен: мицеллы растворяют вещества, плохо растворимые в воде. Всё это случилось сейчас, то есть почти через 40 лет.
Как начинались мои собственные исследования? После защиты докторской диссертации в 1990 году я первый раз в 1993 году получил возможность выступить с большим часовым докладом на Научном совете по аналитической химии (НСАХ РАН), в котором изложил проблемы, связанные с применением так называемых «организованных сред», включающих мицеллы, микроэмульсии и циклодекстрины в химическом анализе. Затем, по представлению академика Бориса Федоровича Мясоедова, был включён в состав Отделения аналитической химии организации, объединяющей химиков со всего мира, – в Международный союз по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). После этого в 1996 году выступил с докладом в Саратове на российско-японском симпозиуме, в 1998 году – в Токийском университете, а в 1999 году меня пригласили профессором-исследователем в университет города Окаяма в Японии.
Четыре месяца я работал в Японии, читал лекции на английском, который пришлось изучать в скоростном режиме. После этого меня стали приглашать в университеты Дании, Германии, Швеции. В 2005 году академик Юрий Александрович Золотов – глава аналитической химии России – выдвинул меня представителем Российского химического общества (в президиум которого я вхожу) в Европейское химическое общество. Я стал регулярно выступать с докладами на европейских конгрессах в Австрии, Сербии, Чехии, Польше, Франции, Испании, Турции, Греции. В 2017 году мне предложили возглавить рабочую группу под названием «Наноаналитика», концепцию которой я сформулировал как «раздел аналитической химии, развивающий принципы и методы применения в анализе нанотехнологий и особых свойств вещества в наноразмерном состоянии». В прошлом году из-за ковида не состоялась поездка в Португалию, а вот в этом должна быть в Нидерланды. Фактом признания важности исследований стало присвоение в 2014 году Президентом России звания «Заслуженный деятель науки РФ».
Разработанную концепцию я изложил в новом учебнике для студентов по аналитической химии, выпущенном в Российском технологическом университете (МИРЭА) в издательстве «ФИЗМАТЛИТ». Его издали в 2019–20 годах, в третьем томе у меня есть глава «Наноаналитика». В 2015 и 2018 годах под моей редакцией вышли две монографии, соответственно «Нанообъекты и нанотехнологии в химическом анализе» в издательстве «Наука» и «Nanoanalytics: Nanoobjects and Nanotechnologies in Analytical Chemistry» в De Gruyter в Германии. Есть заказ от европейского химического общества для написания учебного пособия, есть заказ на спецвыпуск журнала «Analytical Bioanalytical Chemistry». Увы, на всё не хватает времени – настолько стремительно сегодня развивается нанонаука, что нужно очень постараться, чтобы не отстать от коллег.
Текст: Тамара Корнева
Фото: Виктория Викторова
На снимке: Практическое занятие по курсу «Нанохимия и нанотехнологии» у магистрантов 1 курса. Они демонстрируют в действии магнитную наноплатформу.
