Научиться "фотографировать" молекулы

Доцент кафедры физики Ивановского химуниверситета, кандидат химических наук Олег Пименов изучает строение молекул с помощью особого экспериментального метода – газовой электронографии. Он помогает объяснить свойства уже существующих веществ и сделать прогноз для новых соединений. Эти знания могут пригодиться, например, в развитии медицины. Кстати, до недавнего времени ивановцы держали мировой рекорд по изучению самой большой молекулы.

Открытие Фарадея не могли применить десятки лет

– Олег, расскажите о своей научной работе. 

– Химия – наука многообразная. Это физическая химия, органическая и неорганическая, биохимия, квантовая, компьютерная... Я занимаюсь структурной химией. Основная моя цель – изучение строения молекул: как они выглядят в пространстве, из каких фрагментов состоят. Структура молекул полностью определяет все свойства вещества, которые мы с вами наблюдаем. Например, можно судить о прочностных характеристиках материалов. Всё, что мы с вами видим – цвет, вкус, запах, электрофизические и механические свойства, – всё это определяется именно строением молекул, из которых состоит вещество.

– А зачем это строение знать?

– Человека, который занимается фундаментальной наукой, такой вопрос, конечно, всегда застает врасплох. Если коротко – нам просто интересно!

Вообще, существует мнение, что фундаментальной науки нет – она вся прикладная. Только некоторые результаты будут востребованы лет через 100–150. Как с Майклом Фарадеем, например. Он открыл электромагнитную индукцию. Теперь можно магнитным полем электрический ток создать. А что делать с этим открытием, тогда было непонятно. Зато сейчас явление электромагнитной индукции лежит в основе работы всех электростанций на нашей планете, вырабатывающих переменный ток.

В случае со строением молекул 150 лет ждать не придется, конечно. Я занимаюсь молекулами в газовой фазе. Они свободны от влияния соседей, однозначно характеризуют конкретное вещество. Мы можем прогнозировать, как молекула себя поведет, если ее поместить в раствор. А растворы – это в первую очередь про медицину и лекарства. Знание структуры помогает нам объяснить свойства уже существующих веществ и сделать прогноз для новых соединений.

Ивановцы держали рекорд по изучению макрогетероцикла

– Олег, а были в последнее время в мировой науке открытия, которые вас особенно заинтересовали?

– Когда мы встречаем человека, который занимается наукой, то думаем, что сейчас он расскажет про телепортацию, про путешествия сквозь звезды, про что-то такое прорывное. А на самом деле наука – это много-много ступенчатых и порой рутинных действий для получения мало-мальски значимого результата. Как в спортзале: ты долго-долго качаешь мышцы, чтобы в конце увидеть результат своей работы. В науке можно всю жизнь посвятить проведению исследований, чтобы в конце получить что-то грандиозное, а может, и не получить…

ДОСЛОВНО. "Существует мнение, что фундаментальной науки нет – она вся прикладная. Только некоторые результаты будут востребованы лет через 100–150. Например, Майкл Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции. Что делать с этим открытием, долго было непонятно. Зато сейчас явление электромагнитной индукции лежит в основе работы всех электростанций на нашей планете, вырабатывающих переменный ток".

Как-то мой австрийский коллега сказал: если ты знаешь, что должен получить в конце, то это скорее похоже на лабораторную работу студента, нежели на научное исследование. Ученый должен искать ответ и, возможно, даже потерпеть фиаско, чтобы начать копать в другую сторону, но не сдаваться.

Для меня в последнее время самым интересным было экспериментальное изучение структур больших молекул. Различные полимерные цепочки, аминокислоты, макрогетероциклические соединения, которые сейчас активно исследуются в ИГХТУ, – всё это сейчас очень актуально. До недавнего времени наша лаборатория держала, насколько я знаю, мировой рекорд по изучению самой большой молекулы методом газовой электронографии. Мой коллега, доктор химических наук Юрий Жабанов экспериментально исследовал окта(трифторметилфенил)порфиразин магния. Это макрогетероцикл, состоящий из 137 атомов! Очень красивая симметричная молекула с периферийными заместителями и ионом магния в центре.

– Она на хлорофилл похожа, если я не ошибаюсь?

– Совершенно верно. Хлорофилл – тоже макрогетероцикл, только поменьше. Так вот, исследование молекулы в 137 атомов меня, прямо скажем, сильно впечатлило.

А совсем недавно наши немецкие коллеги во главе с докто­ром Юрием Вишневским (он из России) изучили еще бόльшую молекулу. Честно говоря, я, наверное, даже не выговорю ее название, лучше приведу здесь брутто-формулу этого соединения – Si6C90H138. Центр молекулы – остов из 6 атомов кремния. В общей сложности это 234 атома. Так что теперь рекорд за ними, по всей видимости.

Испаритель словно из "Звездных войн"

– Расскажите теперь о самом методе – об электронографии.

– Электрон – элементарная отрицательно заряженная частица. Графо с греческого языка – пишу, рисую. То есть дословно электронография означает "рисую электронами".

Сначала синтетчики готовят какое-то вещество. Они предполагают, что оно должно быть определенным по составу. Существует много разных методов, которые могут подтвердить брутто-состав полученного соединения, а вот непосредственно со строением молекулы сложнее. Здесь-то на помощь и приходит газовая электронография.

Мы берем вещество и помещаем его в испаритель. Это футуристического вида устройство (будто из "Звездных войн"), в котором вещество можно нагревать до заданной температуры. Испаритель загружается в электронограф – по сути, электронный микроскоп, переделанный под исследование газовой фазы. Основной элемент электронографа – колонна, внутри которой системой насосов создается высокий вакуум.

Вещество в испарителе нагревается и переходит в газовую фазу. Молекулы высвобождаются, попадают в вакуум и летят, образуя молекулярный пучок, в колонну электронографа. В это время внезапно по ним ударяют быстрые электроны. Они огибают препятствия-молекулы, меняя свою первоначальную траекторию. Рассеянные электроны попадают на фотопластинку, где записывается дифракционная картина. Получается своего рода "фотография" молекулы. Для каждой дифракционная картина, как отпечатки пальцев для человека, – абсолютно индивидуальна. Потом с помощью численных методов мы уточняем модель молекулы, которая наилучшим образом соответствует записанной в эксперименте дифракционной картине.

Электроны, будто птицы на проводах 

– У вас всегда был интерес к химии? Или осознание, что вы посвятите себя этой науке, пришло неожиданно?

– Мне всегда нравились физика и математика. А еще – что-нибудь сверлить, паять и ломать. А вот химию я терпеть не мог. Учил ее просто потому, что надо. Органическую химию, например, и сейчас недолюбливаю. После школы поступил в Ивановский химико-технологический университет на специальность "Электроника и микроэлектроника", а это как раз физика и математика. Но так сложилась судьба, что лекции по физике нам читал профессор Георгий Васильевич Гиричев, один из лучших специалистов в области газовой электронографии. Своими речами он вдохновил и меня, и моего одногруппника Юрия Жабанова прикоснуться к миру структурной химии. И мы буквально влюбились в эту науку.

– Какие у вас научные планы на ближайшее будущее? 

– Есть ряд молекул, исследование которых мне очень хочется завершить. Это пентагалогениды переходных металлов. Там очень крутые структурные эффекты. Например, молекула по всем показателям должна быть одной симметрии, а она проявляет себя в другой, более низкой.

– А почему это может быть?

– Всё дело кроется в распределении электронов, это они "чудят". Электроны, будто птицы на проводах, находятся в молекуле на разных энергетических уровнях. Но есть молекулы, у которых один электрон остается без пары. В этом случае молекулы ведут себя очень необычным образом.  

– Ваша задача разобраться в этом: какие группы и структуры все-таки имеют молекулы?

– Моя задача – изучить этот эффект, количественно описать его. Выявить закономерности в структурных изменениях, и уже после этого можно будет пе­рейти к предсказаниям. Что будет с другими подобными молекулами? Будут они такие эффекты проявлять или нет?

Без Максвелла не было бы мобильной связи

– Блиц из трех вопросов. Перед вами машина времени: куда отправитесь?

– Ни туда, ни сюда. Я остался бы в настоящем.

– Перед вами вдруг появляется британский физик Джеймс Клерк Максвелл, и у вас есть три минуты. Что бы вы ему сказали?

– "Спасибо вам за уравнения электромагнитного поля". Без этой работы Максвелла сегодня ни о какой мобильной связи мы бы и не ведали!

– Если бы у вас была возможность передать напутствие химикам будущего, скажем, через сто лет, что бы вы им посоветовали?

– Самое главное – кооперироваться, кооперироваться и еще раз кооперироваться. Чем больше умов объединяются в единый коллектив, тем быстрее движется наука.

Серию интервью с ивановскими учеными, участниками научно-просветительского проекта "СЛОН", читающими лекции в "Солярисе", "ИГ" начала в номере за 4 февраля. Со всеми материалами спецпроекта информационного портала "Известно.ру" можно познакомиться с помощью QR-кода.