Интервью
с директором Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина
Российской академии наук
академиком Асланом Юсуповичем Цивадзе
- Каковы концепции развития нанотехнологии в России?
Нанотехнология - новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние годы. Она позволяет создавать устройства из структурных элементов размером 10-100 нм. В России основы нанотехнологии были заложены задолго до возникновения этого понятия. В 1952 г. сотрудниками нашего института Л.В. Радушкевичем и В.М. Лукъяновичем была опубликована статья «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте» (Журнал физической химии. 1952. Т.26, № 1. С. 88-95).
В выводах своей работы авторы писали:
«При исследовании структуры сажи, полученной из окиси углерода на железных контактах, было обнаружено, что сажа состоит из частиц сложного строения. Большинство частиц имеет вытянутую червеобразную форму с характерными окончаниями, свидетельствующими о направленности роста. Частицы, выращенные в некоторых случаях на отдельных крупинках железа в атмосфере окиси углерода, имеют правильную нитевидную форму с плотными окончаниями. В первой стадии образуются нитевидные зародыши в результате химической реакции взаимодействия СО с железом. Во второй стадии протекает поперечный рост частиц за счет образования на ней кристаллов графита. Окончательно выросшие частицы представляют собой продукт роста и деформации первичных частиц. Обнаружены необычные формы сдвоенных частиц, переплетенных между собой. Образование этих агрегатов протекает по особому механизму, детали которого ждут своего объяснения»
(электронно-микроскопический снимок сажи, полученной при термическом разложении оксида углерода (увеличение х20000), взятый из работы Л.В. Радушкевича и В.М. Лукъяновича).
Фактически авторы получили новый материал - углеродные нанотрубки. Но никто тогда такой материал не называл нанотрубками. Следует вспомнить и академика И.В. Тананаева, который отмечал, что при изучении свойств веществ надо обратить внимание на размерные эффекты. Он указывал, что при описании свойств веществ наряду с другими параметрами нужно учитывать и дисперсность, и даже предлагал ввести дисперсность четвертым параметром ( первые три - состав, свойства, струкутура) в диаграммы состояния. Получается, что в России у нанотехнологии есть солидные глубокие корни.
Понятие «нанотехнология», как парадигма, начало внедряться в нашу научную жизнь много позже. И как всякая новая парадигма, дала толчок развитию многих направлений науки и техники. Новая область стала модной. Конечно, в настоящее время очень трудно концептуально изложить позиции этой науки - нанонауки, так как невозможно четко определить, что же такое «нанотехнология» и «наноматериал». Из-за этого часто получается большая путаница: все, кто сегодня занимается исследованием свойств различных материалов, их получением, считают, что они занимаются нанотехнологией, хотя это и не совсем так. Тем не менее, попав на благодатную почву, эта парадигма представила ученым базис для существенного прогресса научных исследований.
Здесь можно провести некоторую аналогию с супрамолекулярной химией. Химики пользовались понятиями, пришедшими из биологии, например комплиментарность, молекулярное распознавание. И к понятию «супрамолекулярная» химия, как химия надмолекулярных систем или химия межмолекулярных связей, введенному лауреатом Нобелевской премии Жан-Мари Леном, можно было отнестись скептически: водородные связи всегда изучались как межмолекулярные. Однако этот термин сыграл очень большую роль. Ученые стали обращать внимание на разные системы и объяснять их устойчивость образованием супрамолекулярных систем. Раньше слабым связям не придавали должного и концептуального значения, не осознавали масштабности этого явления, не считали их фактором, влияющим сильно на свойства вещества. Биология позволила посмотреть на это глубже. Ведь в живой природе, в живых системах именно слабые связи обуславливают их многоточечность и устойчивость. Живая природа очень чувствительна. Слабое воздействие на нее приводит к резким изменениям свойств и мгновенному отклику. Например, живой организм существует при температурах от 37 до 42оС, при более высоких может наступить смерть. Живой организм чувствителен к изменениям температуры на доли градусов. А мы в химии сталкиваемся с температурами 500-1000оС и выше. Чувствительные элементы, которые работали бы на такие отклики с большой чувствительностью и селективностью, в неорганической природе создавать трудно.
Когда возникла нанотехнология, ученые обратили внимание на то, что из атомов тоже можно создавать такие супрамолекулярные структуры в неорганической химии. А это и есть нанотехнология. В действительности существует очень большая связь между супрамолекулярной химией и нанотехнологией. Раньше говорили, что размер устройств надо уменьшать по технологии «сверху вниз», и мы создавали большие ЭВМ и постепенно их уменьшали. Но эта технология исчерпала себя. Сейчас мы разрабатываем технологию «снизу вверх». Из отдельных атомов и молекул создаются наносистемы - процесс, ранее называемый супрамолекулярной самоорганизацией и самосборкой, теперь называется наносборкой. Как и в живой природе, здесь желаемые структуры создаются не традиционными методами. Традиционные методы - это изменение структуры органического или неорганического соединения путем замещения или присоединения каких-то групп, изменения изомерии в группах. Часто в химии бoльшее внимание уделяли сильным связям, обеспечивающим устойчивость системы, чем слабым, позволяющим путем традиционных методов получать новые вещества с новыми свойствами. Теперь же обратили внимание на то, как в природе происходит образование новых структурных фрагментов. А происходит это путем самоорганизации и самосборки в определенных условиях. Примером этого является, например, синтез гемоглобина. В химии - это сложный многостадийный процесс, а в природе - он создался как-бы сам по себе, самоорганизацией и самосборкой. Но в отличие от живой природы мы управляем не только водородными, но и некоторыми другими химическими связями. Жан-Мари Лен как-то сказал, что мы возможно создадим живую природу, но на других принципах.
Нанонаука привлекла внимание ученых тогда, когда обнаружили, что наноматериалы, в том числе и конструкционные) благодаря высокой удельной межфазной поверхности (размер частиц не больше 100 нм) обладают особыми свойствами, отличающимися от свойств макрообъектов. Например, металлы с нанесенными наночастицами имеют лучшие показатели по таким свойствам, как вязкость и твердость. Объектами нанотехнологии могут быть нанотрубки, фуллерены, нанокомпозиты, микропористые материалы, супрамолекулярные ансамбли и устройства, тонкие пленки и поверхностные слои, микроэмульсии и т. д. Нанотехнология и наука о материалах связаны не только с химией и химической технологией, но и с физикой, биологией, компьютерным моделированием, энергетикой медициной и т.д. По всем направлениям в России есть соответствующие школы; создаются молекулярные машины и моторы и в нашем институте. Для этого используются как органические, так и неорганические соединения.
Во всем мире нанотехнология и наука о наноматериалах являеюся очень перспективными; этому придают очень большое значение и выделяют должное финансирование на их развитие. Наконец и в нашей стране правительство обратило на это внимание: создана соответствующая программа. К сожалению, у нас пока ещё плохо работает цепочка фундаментальная наука-прикладная наука?востребованность промышленностью. Нет промышленности нет и востребованности идей. И часто эти идеи используются зарубежными странами, а не нашими предпринимателями. В связи с этим придается также большое значение созданию малых научно-технических предприятий, которые бы подхватывали новые идеи и доводили их до определенного уровня разработки и тут же малыми партиями выдавали на рынок, а там уже определялось бы, что хорошо и что плохо. Это очень трудно решаемая задача. Она требует большой поддержки государства.
- Какое образование нужно получить, чтобы заниматься нанонауками?
Я часто бываю председателем Государственной аттестационной комиссии в различных ВУЗах - в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова на факультете наук о материалах (ФНМ) и химическом факультете (кафедра физической химии) в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева (РХТУ) (кафедра технологии неорганических веществ), заведую кафедрой в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова (МИТХТ). И я считаю, что сегодня наилучшее образование для работы по нанотехнологиям дает факультет наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова. Декан этого факультета академик РАН Ю.Д. Третьяков с самого начала правильно оценил перспективы нанотехнологий и так построил учебно-научный процесс, что в нем предусматривается практически всё, что необходимо для подготовки специалистов в этой области.
Конечно, на факультете есть определенные предпочтения по тематике; превалируют, в частности, дипломные работы по неорганическим структурам (традиционная методология исследования для кафедры неорганической химии МГУ). Это определяется, в первую очередь, научной школой, которая развивается под руководством академика Ю.Д.Третьякова. Тем не менее, в последнее время появились дипломные работы в области полимеров и биологии. И в дальнейшем, по-видимому, следует расширять область исследований. Но для этого надо расширять факультет. Пока таких специалистов факультет выпускает очень мало (в силу ограниченного набора студентов). И получить сотрудника после окончания факультета, например, к себе в институт я не могу, хотя у нас в институте есть прекрасные возможности, в том числе и материальные, для продолжения научной работы.
Но есть и другие возможности для подготовки хорошего специалиста по нанотехнологиям. В 2003 г. на базе РХТУ организована кафедра нанотехнологии и наноматериалов, которой заведует член-корреспондент РАН Е.В.Юртов. Мы приглашаем студентов этой кафедры уже на первых этапах их обучения познакомиться с нашим институтом. Я рассказываю им о наших работах, об институте. В дальнейшем они делают у нас свои курсовые и димломные работы. Стены нашего института становятся для них родными.
Было бы неплохо, чтоб такую практику с первого курса проходили у нас и студенты ФНМ. Надеюсь, что этот вопрос мы решим с академиком Ю.Д.Третьяковым.
Хороший опыт есть в нашем институте и по работе со студентами Высшего химического колледжа Российской академии наук. Студенты этого колледжа работают в нашем институте с первого курса. Эти ребята хорошо подготовлены (в колледж отбираются талантливые, увлеченные химией ребята), и уже с начала обучения способны делать научную работу, сразу вовлекаются в «процесс», «зажигаются» от него и других «зажигают». С такими ребятами приятно и интересно работать. А бывает, что приходят студенты четвертого курса ВУЗа, и наши научные сотрудники очень неохотно работают с с теми студентами, которые не умеют делать самые простейшие необходимые для научной работы вещи, например мыть посуду, готовить стандартные образцы, провести простейшую реакцию и т.д.
Мне представляется, что наше взаимное сотрудничество с МГУ и другими ВУЗами позволит нам достичь бoльших успехов в подготовке специалистов в сфере нанотехнологий. К тому же, у нас появляются совместные проекты и гранты на федеральном и международном уровнях, которые, несомненно, позволят улучшить подготовку таких специалистов и в качественном, и в количественном отношениях.
- Как осуществляется взаимодействие Российской академии наук и ВУЗов?
По моему мнению, наилучшая форма такого взаимодействия - научно-образовательные центры. В нашем институте такой центр - Научно-образовательный центр по химии, радиохимии, радиационной химии и электрохимии - был создан в 2002 г. как самостоятельное научно-вспомогательное подразделение. Структура нашего Научно-образовательного центра очень разнообразна. Она включает учебно-научные центры с серией базовых кафедр из нескольких Вузов, в том числе кафедру на базе Европейского научного объединения по супрамолекулярной химии, интеграционные комплексы базовых кафедр на базе нашего института, научно-образовательные отделы по различным направлениям, совместные лаборатории с кафедрами ряда университетов, международные интеграционные образовательные системы. Все эти структурные формы, возглавляемые специалистами высочайшего класса (академиками, член-корреспондентами, профессорами, докторами химических наук) созданы на основе лабораторий нашего института совместно с кафедрами ВУЗов, в первую очередь, МГУ, МИТХТ, РХТУ. В Научно-образовательном центре есть структурные формы, включающие Московский институт стали и сплавов, Университет нефти и газа им. И.М.Губкина, Московский инженерно-физический институт, Московский физико-технический институт. Мы сотрудничаем также с Ростовским, Кубанским и Воронежским государственными университетами и многими другими учебными заведениями. Каждый Вуз выбирает такую структурную форму, которая ему больше всего подходит. Работа Научно-образовательного центра осуществляется, как правило, на основе договоров о сотрудничестве с ВУЗами.
Каковы же цели и функции Научно-образовательного центра? Основная задача - подготовка молодых специалистов на основе многоступенчатой системы образования (бакалавров, магистров, кандидатов и докторов наук). Эта задача решается путем вовлечения студентов в научную работу, чтения лекций по специальным курсам в рамках образовательной программы по Стандартам образования, чтение факультативных лекций, проведение лабораторных занятий в рамках спецкурсов, учебно-методическая работа, обеспечение современного уровня фундаментальных и прикладных работ, проведение рабочих школ-семинаров и конференций и т.д.
В проекте устава Российской академии наук впервые записано, что образовательный процесс является основным видом ее деятельности. И это очень правильно, поскольку многие сотрудники институтов РАН работают в ВУЗах, читают лекции студентам. Я, как уже говорил, заведую кафедрой в МИТХТ, связан я и с факультетом наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова, и кафедрой нанотехнологии и наноматериалов в РХТУ. А сейчас ведущие ученые нашего института читают лекции в нашем Научно-образовательном центре. Эти лекции могут слушать студенты разных ВУЗов. К тому же у нас имеются большие возможности для научной работы, поскольку в наших лабораториях есть уникальное оборудование и специалисты, под руководством которых студенты могут осваивать новые приборы и физические методы исследования непосредственно в этих лабораториях.
Сейчас работа Научно-образовательного центра налажена, она развивается, хотя возникает еще много вопросов, связанных с улучшением его работы. На основе такого центра в дальнейшем возможно создание академического университета. Первым примером университета этого типа является Академический университет, созданный на основе Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе лауреатом Нобелевской премии Ж.И Алферовым.
- Этот университет является высшим учебным заведением?
Да, конечно, это высшее учебное заведение, которое, как и любой ВУЗ, может выдавать дипломы об окончании этого университета. Сейчас же у нас нет права выдавать дипломы. Хотя студент после получения степени бакалавра, делает магистрскую работу на базе нашего института, диплом все равно выдается ВУЗом, в котором он обучается. Но мы рассчитываем на то, что скоро мы получим такое право, и наши дипломы будут иметь высокую оценку. А в дальнейшем, как я уже говорил, - ориентация на образование академического университета, где будут готовиться специалисты высокого класса, в том числе и по нанотехнологиям.
А специалисты нам нужны, чтобы малые предприятия, занимающиеся инновационными и высокими технологиями вырастали в такие монстры как корпорация Микрософт (Microsoft) Билла Гейтса.
- Не могли бы Вы пояснить, дает ли Научно-образовательный центр дополнительное образование или он является исследовательским центром?
Нет, это не дополнительное образование. Научно-образовательный центр нашего института предоставляет возможность студентам ВУЗов сделать у нас работу на степень бакалавра. Он приходит к нам на 4 курсе. И при успешной защите этой работы он далее выполняет магистрскую работу. Это делается, как сказано выше, по договорам сотрудничества с ВУЗами. Дело в том, что сейчас на многих кафедрах ВУЗов (кроме МГУ) просто нет возможности делать магистрские работы: нет приборов, оборудования, недостаточно кадров. К счастью, сейчас научные исследования в ВУЗах постепенно возрождаются.
Но с другой стороны, по просьбе ВУЗов в Научно-образовательном центре читаются лекции уже для студентов младших курсов, например по квантовой химии, спектроскопии и т.п. Такие лекции читают ведущие ученые в этих областях науки. И, конечно, это дополнительная учеба студентов.
Кроме того, у нас есть совместные научно-исследовательские проекты, в которых участвуют и студенты. Это также дополнительная учеба, поскольку в такой работе студенты получают хорошие навыки научно-исследовательской работы.
Корреспонденты Е. Веряева
портала «Нанометр», А. Грошева
студенты 4 курс. ФНМ МГУ М. Ефремова
Ссылки по теме:
- Сайт ИПФХЭ РАН
- Факультет Наук о Материалах МГУ им. М.В.Ломоносова
- Журнал «Защита металлов»
- Кафедра нанотехнологий и наноматериалов РХТУ им.Д.И.Менделеева
- Высший Химический Колледж РАН
- Академический университет
- Краткая история открытия углеродных нанотрубок
