Публикации: Проект «Моя лаборатория»

Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова подвели итоги конкурса «Моя лаборатория». Мы с удовольствием публикуем лучшие работы.

В работе «А у нас все хорошо, просто замечательно» действующими лицами являются персонажи из мультфильмов «Трое из Простоквашино», «Каникулы в Простоквашино» и «Зима в Простоквашино», а также цитируются прозвучавшие в них фразы. Автор данной научно-популярной статьи уважает и никоим образом не пытается посягнуть на художественное наследие Э. Успенского и студии «Союзмультфильм».

Цель этого произведения – доступно и интересно рассказать о работе в научной группе, в которой я состою – лаборатории методов получения и диагностики наноматериалов, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, в частности о том, с чем сталкивается будущий молодой ученый, впервые приходя в лабораторию (в чем заключается постановка научного эксперимента и как правильно его провести; чем обусловлен выбор объектов для исследований, как проводится их анализ и при помощи каких приборов; каким образом ученый делится своими достижениями и о многом другом).

Фотографии сделаны автором в Институте обшей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, РАН.

***

-Тук, тук…

-Кто там?

-Это я, почтальон Печкин, принес заметку про вашего мальчика…

-Не нужна нам заметка про мальчика, у нас и мальчика то никакого нет ,он у нас в в город уехал - вздохнул Матроскин.

-Ведь не просто уехал, в институте теперь работает, вот, в заметке пишут, что какой-то приз научный выиграл, не пойму только какой, слишком умное название – возразил Печкин.

-Как, приз? Денежный? – Матроскин захлопал лапами – сколько же мы теперь коров заведем!!!

-Вот, Матроскин, вечно ты со своими коровами! Как он сам то там, бедный? Экологии ведь в городе никакой, не то что в деревне! Да и еще институт с каким-то неполезным названием – химический…Нюхом чую, явно оно ему на пользу не пойдет – пробурчал Шарик, - и ведь совсем он про нас забыл, никакой весточки нет.

И тут, словно по заказу, прозвучало:

-Тук, тук…

-Кто там? – Печкин подпрыгнул на стуле – дежавю какое-то…

Тут перед публикой, держа в клюве конверт, предстал галчонок Хватайка собственной персоной.

-Вот она, голубиная почта в действии! – прошептал Печкин – что с нынешней почтой то творится, птицам уже больше людей доверяют, эххх…

-Ну-ка, дай сюда, - крикнул Матроскин, пытаясь отобрать письмо у вовремя подсуетившегося Шарика, носившегося бешеным галопом по комнате и вопившего «Дядя Федор написал!!!».

Первое письмо

Дорогие мои, Матроскин и Шарик! Отдельный привет Печкину! Я живу хорошо. Просто замечательно. Вот решил описать вам свои первые впечатления о работе в химической лаборатории. Вы наверно недоумеваете, как это меня вообще сюда занесло… Знаете, тут надо сказать отдельное спасибо Печкину, он со своими причитаниями «Оформи, дядя Федор, подписку на “Nature”» добился таки своего. А там столько всего интересного! Так что я взялся за ум, подтянул физику с химией в школе и без проблем поступил в университет. Ну да вы это знаете.

А у нас здесь практика с первого курса прямо в научных лабораториях! Представляете, прихожу я туда в первый раз – все вокруг незнакомое, какие-то приборы гудят, шумят, емкости стоят с непонятными побулькивающими жидкостями, люди в халатах о чем-то спорят, запахи странные, не то, что у нас в Простоквашино… В общем, в первый момент я был несколько ошеломлен. Однако меня быстро ввели в курс дела. Пока что я не особо силен в теории и в практике, но быстро учусь. В первое время все боялся, что ко мне отнесутся как ты к галчонку, Матроскин! Скажут: «А чёй-то это мы зря его кормим! Пусть пользу приносит» – и сразу отправят самостоятельно науку творить. А я буду лишь смотреть непонимающе в окно и на все вопросы отвечать «Карр, карр»…

Но мои страхи остались всего лишь страхами. Меня познакомили с научным руководителем, который рассказал, какие темы изучают в нашей лаборатории и кто чем занимается. Он объяснил мне, какие эксперименты нужно провести и почему. Оказывается, постановка эксперимента – это далеко не самое простое дело. Сначала нужно изучить очень много литературы, то есть различных статей за много лет по той теме, которой хочешь заниматься. Сейчас это сделать намного проще, чем раньше.

Рисунок. Диоксид церия

В интернете существуют целые базы данных, благодаря которым можно найти всю интересующую тебя информацию, просто введя несколько ключевых слов. Конечно, мой руководитель давно этим занимается и знает очень много по определенной тематике.

Бывает, и я ищу литературу, даже изредка приходится в библиотеке посидеть, ведь в поиске идей иногда нужно изучать достаточно старые книги. Читаешь и думаешь, прямо как Матроскин: «И как это я сам не додумался про клад!» То есть до такой, казалось бы, очевидной идеи. Но пока в голове недостаточно почерпнутых знаний, свои собственные гениальные мысли не рождаются. В конце концов, на научного руководителя снисходит озарение и общими усилиями мы проверяем ту или иную гипотезу.

А вы знали, что сейчас в науке произошел прорыв и появилась новая область интересов – нанотехнология? Оказалось, что привычные нам вещества в сильно уменьшенном размере, начинают проявлять совершенно другие свойства. В связи с этим появилось и много новых увлекательных научных идей. Например, у нас в лаборатории мы изучаем свойства нанокристаллического диоксида церия. Как я понял, в наносостоянии это вещество уже не то, каким кажется на первый взгляд. Помните, как наш галчонок притворялся Печкиным? Но, несмотря на его настойчивое «Это я, почтальон Печкин», почтальоном он так и не стал, зато, благодаря росту и сноровке, мастерски может воровать олимпийские рубли… Вот и в сильно уменьшенном виде частицы диоксида церия начинают проявлять совсем другие качества, например, выступать в качестве антоксиданта. Помнится, вы жаловались, что «здоровье ваше не очень, то лапы ломит, то хвост отваливается»… Заинтересовались? Я тоже, хотя пока еще и не до конца во всем разобрался… Кстати, эти факты мы с научным руководителем смогли узнать только при помощи правильной постановки эксперимента и его точному проведению. Оказалось, мало только прочитать что-то в статьях, нужно еще и придумать, как с помощью эксперимента добиться нужного результата. А это возможно только путем метода проб и ошибок. Помнишь, Матроскин, наше знакомство? «Неправильно ты, Дядя Федор, бутерброд ешь…» Вот и здесь так же, пока не попробуешь, не узнаешь. И если в конце концов получилось то, что задумывалось, рано радоваться. Вдруг, это просто стечение обстоятельств?

Рисунок. Устройство лаборатории

Чтобы удостовериться в правильности полученных данных, нужно повторить эксперимент несколько раз, проверить его воспроизводимость. Причем результат получения нужного вещества или доказательство какого-либо свойства проверяются с использованием различных лабораторных приборов. К тому же, раз мы исследуем уже вещества с некими особыми свойствами, то и установки нужны особенные. Так, нельзя в лупу изучить поверхность наночастиц. Это как в лес за грибами с сундуком ходить. Ой, Печкину это не показывайте! Он то до сих пор про клад не знает! Ваш Дядя Федор.

***

-Это как в лес за, кхххм… Ваш Дядя Федор – закончил читать Матроскин, исподтишка наблюдая за реакцией Печкина. Но тот до сих пор переваривал новость про подписку “Nature” и не обратил внимания на внезапный приступ кашля у читающего.

-Что же он о самом главном не написал! – в сердцах воскликнул Матроскин – печка-то, печка-то у них есть?!

-Что ты взялся опять за свое, печка…печка – недовольно заворчал Шарик – каждый раз одно и то же! Вот он что-то про лапы с хвостом упомянул, небось и с шерстью моей выпадающей справиться можно! Только я почти ничего не понял, странно все как-то… Давай ему ответ писать!

-Вам какой бланк, простой или поздравительный? – оживился Печкин, очнувшись от грез.

-Нам бланк не нужен, у нас почта голубиная, хлебом можно расплатиться! – важно ответил Матроскин, грызя карандаш.

Второе письмо

Дорогие мои друзья! У меня по-прежнему все хорошо! Матроскин, печка у нас есть, да еще какая! Правда, не на пол-комнаты, зато может нагреваться так, что смотреть больно! На такой не полежишь… И название у нее особенное – муфельная! Предвижу уже твой вопрос, мол, зачем такая в хозяйстве нужна. В хозяйстве действительно нет в ней нужды, зато в лаборатории она очень кстати. Для многих областей, в частности, в промышленности важно знать, как себя поведет вещество при сильном нагревании. Разрушится или, например, проявит какие-то особые свойства, допустим, начнет светиться.

Рисунок. Муфельная печь в действии

И, разумеется, прежде чем изготавливать детали из этого вещества и запускать их в массовое производство, нужно проанализировать его поведение в лабораторных условиях, например, провести термические испытания. И это далеко не единственная установка у нас в лаборатории. Многие из них нужны мне в работе по исследованию поведения нанокристаллического диоксида церия. Тут, Шарик, я надеюсь удовлетворить твое любопытство, ведь с момента написания последнего письма, много разбирался в этой теме. Итак, как он может помочь тебе чувствовать себя лучше? Попробую вкратце изложить идею. Как я уже писал в предыдущем своем письме, диоксид церия в наносостоянии обладает уникальными свойствами. Химическая формула для данного соединения – CeO₂. Но она верна только для крупных частиц, не в наносостоянии. При переходе на наноуровень происходят метаморфозы и формула приобретает вид CeO_2-δ. Это значит, что на поверхности частицы возникает недостаток кислородных анионов, так называемая кислородная нестехиометрия. В то же время одной из версий того, почему стареет организм, является гипотеза о накоплении в нем со временем все большего числа различных вредных кислород-содержащих радикалов, вызывающих окислительный стресс клеток и, как следствие, их разрушение. А нестехиометричный диоксид церия может ликвидировать их, просто присоединяя к своей поверхности, так как место там имеется. И, соответственно, старение организма замедляется. Но, Шарик, ты сильно не радуйся, так как исследования только в самом начале, хотя результаты обнадеживают. Важным фактором еще является то, в какой системе находятся наночастицы. Для введения в организм удобнее использовать жидкости. Но нельзя взять обычный порошок диоксида церия и просто добавить воды, как в рекламе Инвайт. Нужно получить стабильную систему, чтобы частицы не болтались на дне стакана, а равномерно были распределены по всему объему. Такие системы называются золями и для их получения используются совершенно другие методики синтеза. Ой, чуть не проворонил окончание эксперимента…

-Ну, чего ты замолчал?! – Шарик начал наматывать круги вокруг стола – слышал, я скоро перестану линять, а у тебя хвост отваливаться!

-Ничего такого я не слышал. Шарик, ты балбес! Тут же черным по белому написано: «…исследования в самом начале…», а ты опять все не так понял! Это называется неправильное толкование данных и выдавание желаемого за действительное! – важно ответил Матроскин. – А замолчал я потому, что на странице больше ничего не написано.

-Как, не написано? – воскликнул Печкин – а ну-ка, птица, отвечай, где остаток письма потерял? А?… Хватайка забился в угол и нахохлился. Печкин же продолжал бушевать:

-Да какая это почта?! Разве это почтальон? У него даже документов нету!

-Спокойно, спокойно – раздался голос Матроскина – продолжение на второй стороне листка оказалось…

Рисунок. Дифрактометр для проведения РФА

Ну вот, успел! Когда проводишь какой-то эксперимент, важно соблюдать все условия, чтобы потом его можно было воспроизвести. Иначе такие исследования не имеют никакой ценности. Чтобы не забыть все тонкости, я веду лабораторный журнал, где записываю последовательность действий, используемые реактивы, их количества. Потом полученное вещество нужно проанализировать различными методами, чтобы доказать правильность проведенного эксперимента. Для твердых образцов используются одни методы, такие как рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ; для жидких – другие, например, метод динамического светорассеяния, просвечивающая электронная микроскопия и т.д. Понимаю, так сразу и не выговоришь. Поэтому используют стандартные обозначения – в порядке упоминания это будет РФА, РЭМ, РСМА, ДСР и ПЭМ. Метод РФА нужен для того, чтобы охарактеризовать структуру вещества и подтвердить то, что нами было получено именно нужное вещество. Это достаточно увлекательное занятие.

Рисунок. Растровый электронный микроскоп для получения микрофотографий

Образец помещают в прибор и компьютер выдает некий рисунок, представляющий набор пиков. Последовательность пиков индивидуальна для каждого соединения. Для огромного класса веществ уже известна эта последовательность, она зафиксирована и занесена в определенную картотеку. Поэтому берем график, выданный прибором и сравниваем с уже известными. Как только нашли совпадение – мы определили какое соединение было синтезировано. Так, из иллюстраций в книге, своего рода картотеке, мы узнаем, как выглядят разные звери, а потом, Шарик, ты на своей фотоохоте можешь медведя от зайца отличить! Кстати, раз уж речь зашла об этом твоем пристрастии, то можно продолжить ряд аналогий. Суть методов просвечивающей и растровой электронной микроскопии можно объяснить так… Вот, Шарик, представь, что в объектив своего фоторужья ты можешь увидеть не только лисий хвост, а вещи в миллион раз мельче! Таким образом, с помощью методов электронной микроскопии мы можем увидеть мельчайшие частицы, из которых состоит, допустим, раствор, или проанализировать микроструктуру поверхности. Метод РСМА тесно связан с РЭМ.

Представь, если бы на полученной фотографии леса, у тебя были подписи такого плана: в левом углу - здесь сидит заяц, в правом – спряталась лисица, а в центре – берегись медведя! То же самое на микрофотографиях, только этот метод говорит, какие химические элементы присутствуют в образце и в каких областях находятся. С помощью ДСР можно оценить размер частиц в золе. В этом случае используется то свойство, что в зависимости от массы частицы, меняется ее скорость. Чем больше размер частицы, тем больше ее масса и, соответственно меньше скорость. Прибор фиксирует положение частицы в растворе с течением времени и рассчитывает средний ее размер. Вот так обстоят дела в очень общих чертах. И это далеко не все методы исследования, но наиболее часто используемые в моей практике.

***

-И ничего я не синглет – обиженно протянул Матроскин.

-Конечно, нет! – ответил Шарик, довольный тем, что лично его персона в сравнениях не была затронута, - но хватит дуться, давай продолжай!

-А все, теперь точно я ничего не пропустил – заявил Матроскин, внимательно осматривая лист с различных ракурсов. – Видимо, заработался наш Дядя Федор, отощал наверно там совсем, одной наукой ведь сыт не будешь!

Третье письмо

Привет, Простоквашино! У меня все хорошо, просто замечательно! Матроскин, не переживай, я совсем не отощал. Государство не только корову может в долг дать, но и ученых прокормить. У нас даже иногда шутят, что «наука – это способ удовлетворения любопытства за счет государства». Но для этого нужно написать научный проект, в котором будет изложено подробное описание запланированных экспериментов, зачем это нужно и чего мы хотим добиться в итоге. И если повезет, то на исследования выделят финансирование, так сказать, подарят корову, но за все молоко придется отчитаться! Благодаря таким денежным вливаниям, возможен даже научный туризм, ведь нужно делиться полученными результатами с другими учеными, да и у них учиться чему-то новому. Тут, Матроскин, не действует твоя формула «Средства у нас есть, у нас ума не хватает». Скорее с точностью до наоборот, своим умом и достаем средства.. Мне повезло узнать это на собственном опыте благодаря стараниям моего научного руководителя. Поэтому пишу вам с курорта, где у нас проходит научная конференция. Хожу с утра на лекции, слушаю различные доклады. Завтра буду сам выступать, немного волнуюсь. Особенно нелегко было перед поездкой, нужно было обработать все экспериментальные данные, написать тезисы, сделать презентацию… В общем, «не пойми, что где валяется и когда все это кончится!» Но оно того стоило. Познакомился с разными интересными людьми, впечатлений масса! Пока писать не буду, скоро сам приеду, ждите на каникулы! Ваш Дядя Федор.