Честная наука

Оксана Павлова, Антон Флягин

Как превратить полимерные отходы обратно в нефтепродукты, почему углеродная нанотрубка способна работать даже в атмосфере как вакуумный диод и зачем учёные учатся окислять микропластик прямо в воде? Михаил Симунин, доцент Института перспективных материалов и технологий МИЭТ, кандидат техни- ческих наук, популяризатор науки — о честных экспериментах, радиационно-стойкой электронике, ловушке для алканов и нанохарвестерах, собирающих рассеянную энергию.

— Михаил, расскажите, над какой научной или технологической задачей вы сейчас работаете?

— Самая сложная задача, на мой взгляд — обобщить знания. У Артёма Оганова (российский кристаллограф, химик и материаловед, профессор РАН — Прим. ред.) выходила научная работа об особенностях химического взаимодействия в неравновесных условиях при высоких давлениях. Если её прочитать, может показаться, что там нет ничего особенного: описаны вполне известные вещи — химический потенциал электрона, сродство электрона к атому. Но при этом он обобщил такой объём данных и свёл это всё к такой закономерности, что теперь не нужно для каждого случая решать уравнение Шрёдингера. Достаточно использовать довольно простые математические приёмы. Эта работа не просто прорывная; я думаю, мы по-настоящему осознаем её значение только через несколько лет, когда она будет применена достаточно широко.
Вот такая систематизация данных для меня сейчас актуальна. Я долго занимался углеродными нанотрубками, нановолокнами оксида алюминия, различными анизометрическими (частицы, у которых длина не равна ширине и высоте — Прим. ред.) наночастицами. И сейчас я стараюсь обобщить все эти данные, потому что добавление малого количества анизометрических частиц может существенно изменить свойства материала. Мне очень интересно, как именно меняется функция материала.

— На ваш взгляд, научных прорывов можно достичь только на основе глубокой фундаментальной базы, её изучения и обобщения, или тут большую роль играет эксперимент и даже воля случая?

— Я бы сказал так: случайных открытий всё-таки не бывает. Бывают открытия, назовём их честными. Например, Эрнест Резерфорд считал атом однородным и, бросая альфа-частицы на золотую фольгу, ожидал ловить их только за фольгой. Но он был честным исследователем и поставил экран для ловли альфа-частиц не только за фольгой, но и перед источником. И обнаружил частицы и там. Не могу сказать, что ему повезло. Совсем не повезло, потому что результат с исходной моделью не сошёлся. Это был последовательный научный труд, который дал известный результат о том, что у атома есть ядро и есть электронные оболочки.
Действительно часто ставишь эксперимент, ожидая одного, а получаешь совсем другое — как будто случайно. Но это не случайность, это природа так устроена и так проявляет свои законы. Ей всё равно, что ты себе выдумал; она всё сделает по-своему. Поэтому очень важно поставить эксперимент и честно получить не то, что хотел, а что должно быть. И ещё важнее иметь честность в этом признаться: не подгонять результаты, не использовать статистику, чтобы превратить данные в желаемую модель. А просто предоставить данные, что оказалось всё по-другому.
На мой взгляд, бывает два типа открытий. Первый — как работа Артёма Оганова: обобщение больших массивов данных, которое приводит к новым выводам. Второй — расширение границ, когда мы получаем новую степень свободы, узнаём о мире нечто принципиально новое. Например, не так давно выяснили, что реликтовое излучение — то есть самые первые фотоны, возникшие после рождения Вселенной, — имеет разную плотность. Где-то их больше, где-то меньше. Это было совсем не очевидно. Казалось бы, если фотоны возникли во Вселенной, то везде одинаково — ведь законы физики везде одни и те же, однако что-то повлияло на однородность их распределения во Вселенной.

— Какие ваши собственные исследования или эксперименты привели к неожиданному результату или, наоборот, подтвердили вашу гипотезу?

— Я бы не сказал, что это был неожиданный результат, но он был честным. Мы специальным образом сжигали уголь, чтобы получить синтез-газ, из которого потом выращивали углеродные нанотрубки. При этом мы получали среду с высоким содержанием водорода и подавали этот синтез-газ на полимер, который находился в печи.
Если просто разогревать полимер, он начинает зацикливаться, осмоляться, при этом образуются полиароматические или полициклические соединения — очень канцерогенные, и всё это в итоге закоксовывается, то есть получается нагар. А если делать это в среде водорода, то каждый раз, когда полимерные молекулы ломаются, на место разрыва садится молекула водорода. Она чисто статистически может просто оставить водород на свободной связи, не давая молекуле зациклиться или соединиться с другими элементами. В результате длинные полимеры аккуратно разламываются на кусочки, которые улетучиваются из реактора.
И вот эти обломки полимеров — это различные алканы. Мы не ожидали, что помимо газа, нужного нам для синтеза углеродных нанотрубок, получится ещё что-то тяжёлое. Но на выходе из реактора мы поставили ловушку с холодильником, чтобы отходы не летели в атмосферу. В результате эксперимента в ловушке накопилась густая жидкость, и хроматография показала, что это именно алканы — в том числе, относящиеся к керосиновой и дизельной фракциям. Получилась специфическая смесь, в целом похожая на нефтепродукт. Таким образом, оказалось возможным превращать полимерный мусор обратно в нефтепродукты.

— Давайте поговорим про экологию. Какие «зелёные» тренды применяются при создании новых материалов или диктуют их создание?

— Сейчас самый «гнетущий» элемент «зелёных» технологий — это, пожалуй, природная квота. Так как все в мире выбрасывают углекислый газ, было принято решение, что некоторые страны будут за это платить. Пытаются ввести разные способы. Например, авиакомпании ввели такой налог. Но самое главное тут — как углекислый газ хотят убирать.
При температуре 28–29 градусов и при высоком давлении он становится жидким. Критическая температура — около 30 градусов. Углекислый газ можно ожижить и куда-нибудь залить, например, под землю, и таким образом выдавливать оттуда нефть. Но можно поступить ещё проще. Углекислый газ можно собирать и синтезировать из него основной продукт для удобрений — мочевину. Именно из него она получается, если добавить аммиак. А его в свою очередь тоже достаточно просто получать из водорода или нефтехимических процессов. И тогда мы получим столько мочевины, что она полностью перекроет все потребности в азотных удобрениях.
В целом тут дело не столько в реальной парниковой проблеме, сколько в попытке отрегулировать химическое производство.
Что касается как раз современных трендов в экологии, то, наверное, самая сложная задача, которая сейчас стоит перед миром — это композитные материалы: углепластики, стеклопластики. Как их правильно утилизировать — пока непонятно.
Возьмём стеклопластик. Он практически не горит, но полимер в нём есть. Это значит, что его надо помещать в специальную печь, там будет образовываться кокс (твёрдый пористый высокоуглеродистый продукт, получаемый промышленным путем — Прим. ред.), который сплавится со стеклом. Из этого в свою очередь получится некий шлак и будет непонятно, как его перерабатывать. Обычные полимеры можно просто сжечь. А с углепластиком и стеклопластиком так просто не получится.
Есть, конечно, некоторые приёмы. Например, использовать такие материалы повторно без полной переработки: из лопастей ветряков вырезать конструкционные элементы и делать из них дома, заборы или малые архитектурные формы. Такой тренд уже существует.
Или, как это любят учёные — расщепить всё до атомов и переработать, используя технологии плазменной переработки. Температура там при этом как на Солнце. Поэтому всё очень хорошо разлагается на основные компоненты: углерод, водород и кислород. А дальше золу, которая останется в твёрдом остатке, можно добавлять в бетон, а оставшийся углекислый газ пусть природа забирает на фотосинтез.

— Разложение этих материалов есть, но его невозможно внедрить повсеместно.

— Если речь о плазменной технологии, то проблема в том, что нужны большие мощности. Получается, чтобы перерабатывать лопасти ветряков, которые сейчас везде поставили, какой-нибудь европейской стране, например, Германии, пришлось бы заводить несколько ядерных реакторов. Когда говорят о «зелёной» энергетике, очень часто забывают о проблеме переработки полимерных композитов и связанных с этим издержках.
Возьмём солнечную энергетику — это про нашу любимую электронику. А у нас самый страшный отход какой? Плавиковая кислота. Она настолько опасна, что даже небольшой объём, пролитый на человека, скорее всего, приведёт к его гибели. Потому что эта кислота растворяет кальций, превращая его во фторид кальция, который оседает в почках и закупоривает их.
Это серьёзная проблема, но современные методы очистки промышленных стоков с использованием ионнообменных смол и современные стандарты безопасности, конечно, исключают такие проблемы. Но стоимость ионнообменных смол достаточно высока. Следует понимать, что издержки на утилизацию отходов производства солнечных батарей и утилизацию самих батарей, которые исчерпали срок своей службы, очень велики, что делает солнечную энергию на сегодняшний день очень дорогой.

— Какие были тренды по утилизации ядовитых отходов в нашей стране раньше?

— Пока ещё не было ионообменных смол и достаточно серьёзной электроники, в тех случаях, когда использовали, например, плавиковую кислоту, применяли кремнезёмные сорбенты, например, силикагель. Он позволял связывать кислоту, и в стоки она не попадала. В целом используются различные сорбенты — цеолиты, бентониты и привычный нам активированный уголь.

— Какой материал, пока, возможно, обладающий фантастическими свойствами, вы хотели бы создать, если бы не было вообще никаких ограничений?

— Уловитель энергии. Есть такие структуры — нанохарвестеры. Они вырабатывают энергию за счёт трения и малых градиентов температуры. В природе очень много рассеянной энергии, и было бы хорошо её собирать. Так мы получали бы новые источники энергии.
Было бы здорово пойти в лес и не разжигать огонь, а поставить кубик, запрограммировать его на определённую температуру, и можно жарить шашлык. В быту это звучит смешно, но для производственных применений такие системы были бы очень уместны. Например, люди приходят в тундру, и им нужно пробурить скважину, добыть нефть. Или человек находится гдето один, и ему нужно подзарядить телефон. Для этого подошёл бы такой портативный источник энергии.

— Этот источник энергии смог бы стать основой для вечного двигателя? Достаточно ли в мире свободной энергии, которую можно собирать, чтобы создать вечный двигатель?

— Главная особенность вечного двигателя в том, что он должен нарушать энтропию и принцип наименьшего действия — то есть забирать энергию от холодного тела и передавать горячему. Так мы, конечно, не сможем. Но, тем не менее, человек идёт по тундре, у него температура 36,6°, он постоянно излучает эту температуру во внешнюю среду. Почему бы на градиенте этих температур не получить какие-нибудь кулоны? Или хотя бы нанокулоны, чтобы подзарядить телефончик и позвонить, сказать, что я куда-то не туда зашёл.

— Какой глобальный технологический тренд сильнее всего влияет на современное материаловедение?

— На самом деле, это разнесение свойств. Когда-то давно придумали железобетон: бетон работает на сжатие, а зашитая внутрь металлическая арматура — на изгиб. Представьте себе высокое здание или телебашню. Останкинскую башню гнёт от ветра. При сильном ветре её верхушка отклоняется чуть ли не на двенадцать метров, и там специальные стальные тросы распределяют нагрузку. Вот такая композитная логика.
Вы можете взять не цельный массивный материал, а собрать аккуратную структуру из малых элементов — как кость шейки бедра. Это очень нагруженная система, но природа сама создала такую конструкцию. Повторив что-то подобное, можно поставить тяжёлую столешницу на достаточно лёгкую опору.
Но вернёмся к тому, что нас больше интересует — к электронике. Здесь тренд точно такой же: мы вносим в электронный прибор новые материалы, чтобы добавить нужные функции. Вплоть до того, что это может быть не просто микропроцессор, а целая лаборатория на чипе. Вы надели часы — и получили данные не только о пульсе, но, например, о сахаре или азоте в крови — телеметрию в целом. Это важно для профилактики, чтобы предупреждать эксцессы в организме. Поэтому сенсорная тематика у нас в Институте популярна. Благодаря тому, что мы добавляем в электронные компоненты новые сенсорные элементы, мы можем лучше анализировать внешнюю среду.

— Как применяют искусственный интеллект в материаловедении?

— В первую очередь при обработке больших данных. Когда имеется очень большой набор экспериментов, с помощью эволюционного алгоритма можно понять, какие закономерности стоят за результатами и какие входные данные на что влияют.
Искусственный интеллект в материаловедении сегодня — это, как говорит ранее упомянутый Артём Оганов, основа моделирования новых материалов. С одной стороны, это материалы, которые существуют в экстремальных условиях — например, в центре Юпитера, при огромных давлениях. Там много интересных эффектов. Возьмём натрий — обычный металл, проводник. При высоких давлениях у него возникает кристаллическая структура натрия‑2, и он становится диэлектриком, причём прозрачным. Характер химической связи меняется под действием внешнего давления. Такие вещи моделируются как раз с помощью эволюционных алгоритмов, а собственно ИИ помогает правильно управлять этими алгоритмами, чтобы получать нужные результаты.
С другой стороны, сегодня под искусственным интеллектом мы обычно понимаем лингвистические алгоритмы — когда мы спрашиваем, а нам отвечают. И здесь важна правильная подача результатов. Раньше мы получали данные, ехали на конференцию и обсуждали их с коллегами. А зачем теперь беспокоить уважаемого человека? Можно побеспокоить серверы такого алгоритма — ChatGPT, DeepSeek или Grok — и прийти к похожим выводам.

— Почему стоит идти в науку сейчас? И какие перспективы вы видите в плане разработок и трендов?

— На мой взгляд, в науке более удобные условия труда. Ты не работаешь от звонка до звонка, как на заводе, где хоть тресни — восемь часов отработать должен. В науке ты приходишь, когда надо: сегодня надо поработать в 12 часов — работаешь в 12, надо в 14 — работаешь в 14.
Но есть тут и ирония. Дело в том, что в науке ты сам себе хозяин и работаешь на свой интерес и своё любопытство, это полностью погружает и хочется работать всё больше и больше. На заводе ты делаешь то, что уже умеешь. А в науке ты делаешь то, чего не умеешь — потому что никто не знает, что получится. Ты будешь первым. А узнавать что-то новое всегда интересно. Поэтому самый надёжный способ не соскучиться — это пойти в науку.
В итоге, набрав определённый объём знаний, учёный понимает, как улучшить те или иные процессы в отрасли. И если это востребовано в данный момент, он может, например, открыть инжиниринговую компанию или просто создать на заводе новый технологический процесс. Хотя заводы очень не любят менять свои технологические процессы, но иногда это объективно необходимо. Например, ушли немцы со своими фоторезистами, а других нет. Ты создаёшь новый фоторезист, и теперь все покупают не у них, а у тебя. Такие ситуации всегда будут возникать.
В этом смысле учёный — ещё и хранитель компетенций. Когда какая-то отрасль выпадает, учёный позволяет сохранить знания. А когда приходит время — снова их раскрыть и правильно интерпретировать. Известны технологии, например, космического беспилотника «Буран». Но если мы сейчас возьмём конструкторскую документацию и прочитаем её, мы не сможем восстановить этот космический корабль, потому что многое просто не поймём. Многих марок керамики, металла, резины больше не существует. Нам пришлось бы искать людей, которые будут восстанавливать целую отрасль. Так что учёный — это такая лампочка со знаниями, которая освещает путь.