В новом выпуске регулярной рубрики T&P «Молодые ученые» химик Михаил Варфоломеев рассказывает о важности междисциплинарных и международных связей в научных группах и о вызовах, которые встанут перед наукой, если мир начнет использовать вместо угля метан, а также о роли клуба «Юный химик» в своей карьере.

Где учился: в 2005 году окончил с отличием Химический институт им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета (сейчас Казанский федеральный университет)

Что изучает: термодинамику и кинетику физико-химических процессов

Особые приметы: активно занимается общественной деятельностью, спортом, много ездит по миру

В школе мне очень нравилась математика. До сих пор помню, как, будучи учеником начальных классов, до поздней ночи разбирал с родителями примеры и никак не мог остановиться. Но в старших классах интересы расширились. Как только у нас начались уроки химии, я безнадежно влюбился в эту науку. Конечно, в этом была заслуга моих учителей Андрея Юрьевича Прохорова и Алексея Борисовича Соломонова. На уроках нам рассказывали о химических соединениях, их структуре и свойствах, а после официальной школьной программы мы спешили в клуб юного химика, где уже в живую наблюдали химические превращения. Это было очень увлекательное время.

До сих пор помню, как мы запускали сделанную своими руками петарду в школьном дворе — событие, по уровню подготовки напоминавшее запуск космического корабля с Байконура, но все прошло успешно, и о нашей любви к химии уже знали в соседних с школой домах. А история с химическим вулканом чуть не привела к сокращению занятий нашего клуба и оставила большой след не только в нашей памяти, но и на потолке химического класса школы.

Химия открывала перед нами окружающий мир, показывала уникальные цепочки реакций, помогала получать уникальные материалы. Я вообще не понимал, как кому-то из моих одноклассников могла не нравиться химия. Активное участие в клубе юного химика привело к тому, что я оказался на химическом факультете тогда еще Казанского государственного университета задолго до окончания 11-го класса школы.

Я успешно участвовал в олимпиадах и параллельно занимался научными исследованиями. В 2000 году состоялся мой дебют на научно-практической конференции, где я представил свой первый научный доклад. В этом же году, набрав 200 баллов из 200 возможных, я стал студентом Казанского университета, конечно же, химического факультета, где я уже был хорошо знаком со многими преподавателями. Уже тогда я понимал, что буду заниматься наукой и хочу стать ученым.

Разобраться в том, почему физические и химические процессы идут именно так, предложить свое объяснение или теорию химических явлений, понять их механизмы на уровне отдельных молекул стало моим личным интересом. Моим научным руководителем в то время был заведующий кафедрой физической химии КГУ Борис Николаевич Соломонов — известный в своей области ученый, подготовивший много учеников, которые сейчас работают в разных странах мира. С ним мы начали заниматься фундаментальным направлением — термодинамикой растворов органических соединений. Здесь мне очень пригодились не только любовь к химии, но и знания математики. Эти исследования дали основу понимания межмолекулярных взаимодействий в жидких органических средах, которые в свою очередь определяют реакционную способность молекул.

«Преимущество профессии ученого — у нее нет географических границ»

Межмолекулярные взаимодействия не приводят к новым химическим связям, но за счет их множественного характера существенно влияют на свойства органических молекул. Многокомпонентный раствор можно сравнить с вагоном метро в час пик, в котором много людей. В таком вагоне близко стоящие люди влияют друг на друга, причем как положительно, улыбнувшись соседу, так и отрицательно. Так же происходит с органическими веществами в растворе. При этом, меняя окружение этих молекул, можно изменять их свойства и контролировать их поведение в растворе. Понимание этих процессов очень важно для направленного синтеза органических соединений, получения супрамолекулярных наноразмерных систем, контроля многих процессов в химической и нефтехимической технологии.

Меня очень увлекали эти исследования. Порой я сильно засиживался в лаборатории и не замечал времени. Поэтому я быстро стал «любимцем» вахтеров и охранников химического факультета, которые напоминали мне о правилах внутреннего распорядка и отправляли домой. К старшим курсам у меня уже был серьезный задел научных публикаций, опыт участия во всероссийских и международных конференциях. Я начал понимать еще одно преимущество профессии ученого — у нее нет географических границ. Чтобы быть успешным, нужно активно взаимодействовать с коллегами по всему миру, анализировать их работы, обмениваться с ними опытом и результатами. Только так, по-моему, можно сделать шаг вперед в своей области знаний или понять куда двигаться дальше.

На пятом курсе университета я получил свой первый исследовательский грант на разработку методов по оценке термодинамики межмолекулярных взаимодействий в растворе органических соединений и воды. В ходе этого проекта мы перевели анализ поведения молекул в растворе на количественный уровень и разработали несколько уравнений, которые позволяют предсказывать силу межмолекулярных взаимодействий в различных жидких системах. Особое внимание в проекте мы уделили изучению межмолекулярных взаимодействий в воде и алифатических спиртах. Во-первых, это самые распространенные растворители в живой природе и на химических производствах. Поэтому наши исследования помогают разобраться с тем, что происходит при попадании практически важных веществ в их среду. Во-вторых, вода и спирты обладают одной особенностью. Их молекулы образуют в растворе сетки или цепочки за счет так называемых водородных связей. Именно водородные связи определяют уникальные свойства воды как растворителя, а алифатические спирты являются ее ближайшими аналогами. Наши статьи, опубликованные по этим материалам, входят в десятку наиболее цитируемых работ в зарубежном журнале Journal of Physical Organic Chemistry за 2005 год.

Окончив университет, я поступил в аспирантуру, где продолжил исследования в области физической химии растворов. В своей диссертации с научным руководителем Борисом Николаевичем Соломоновым мы сделали шаг к созданию подходов к оценке явлений кооперативности в растворе. Суть этого явления заключается в том, что когда в системе находится три и более молекулы, то они оказывают влияние на взаимодействия друг с другом, причем это влияние может быть положительным и отрицательным. Если мы переходим от взаимодействия в трехчастичной системе к многокомпонентным системам, то эффект кооперативности (синергетический эффект) может колоссально влиять на их устойчивость. Хорошим примером кооперативности является история про Гулливера и лилипутов. По отдельности лилипуты никогда бы не смогли совладать с Гулливером, но вместе за счет их кооперативного взаимодействия он оказался у них в плену. Такое может происходить и на молекулярном уровне. Существует мнение, что именно кооперативные эффекты определяют устойчивость вторичной структуры белков, комплементарность азотистых оснований в нуклеиновых кислотах, действие лекарственных препаратов в организме, ферментативный катализ и т.д. Очень большое количество работ посвящено исследованию этого явления, но они чаще всего основаны на теоретических расчетах. Нам же удалось зафиксировать явления кооперативности экспериментальными методами и выявить общие закономерности «структура-свойство» для различных исследуемых систем.

Это легло в основу моей кандидатской диссертации, которую я защитил в родном университете через полтора года после поступления в аспирантуру. К этому времени у меня уже появилась собственная небольшая группа. После диссертации мы продолжили исследования в области межмолекулярных взаимодействий и кооперативности, но уже с упором на практически важные молекулы. Первыми нашими объектами стали фенольные соединения, проявляющие биологически активные свойства. Это всеми известные добавки с индексом Е 214-217 алкилпарабены (консерванты), Е 310-313 галлаты (антиоксиданты), салицилаты и т.д. Совместно с коллегами из Университета Ростока (Германия) мы провели серию исследований, посвященных изучению поведения данных молекул в растворе, их химической и термической стабильности, влияния водородных связей на их биологическую активность. В ходе этого проекта мне удалось несколько месяцев поработать в Германии и ощутить, как делается наука за рубежом. Это был очень важный опыт. Я увидел, как складываются международные группы, и понял, насколько важна кооперация специалистов из разных областей для получения серьезного результата.

Для меня тогда это был старт международного сотрудничества. С тех пор (это было в 2011 году) в этой области у нас завязались прочные связи с Университетом Серверного Техаса (США), Французским институтом нефти, несколькими университетами из Польши и т.д. Большинство публикаций моей исследовательской группы написано в соавторстве с российскими и зарубежными коллегами из других университетов. Я считаю, в науке нужно быть открытым к сотрудничеству, к новым идеям и совместно воплощать их. Сегодня в нашей научной группе 20 человек, из них больше половины приехали к нам из других стран (Китай, Ирак, Иран, Йемен, Португалия и т.д.). И, мне кажется, это норма для современного научного коллектива.

Сейчас мы реализуем несколько совершенно новых для нас проектов. В этих проектах от чисто фундаментальной науки мы переходим к решению реальных проблем, которые связаны с глобальными вызовами в области энергетики и экологии.

С каждым годом потребление энергии на нашей планете растет. Основная ее часть получается за счет природных ископаемых. Конечно, эти ресурсы не безграничны. Традиционных нефти и газа становится все меньше. При этом до сих пор большую долю в энергетической отрасли занимает уголь — самое вредное топливо, использование которого приводит к выделению большого количества парниковых газов и токсичных веществ в окружающую среду. В нашем университете в прошлом году была создана стратегическая академическая единица «Эконефть — глобальная энергия и ресурсы для материалов будущего». «Эконефть» — это междисциплинарный центр, который объединяет специалистов в области геологии, химии, физики, экологии, математики и т.д. для решения глобальных проблем в нефтегазовой сфере. В рамках этого центра мы запустили революционный проект по подземной переработке тяжелой нефти. И мы надеемся, что он приведет к третьей революции в нефтедобыче после горизонтального бурения и гидроразрыва. В этом проекте участвуют ведущие университеты из Турции, Китая, Колумбии, а также крупные нефтяные компании (Татнефть, Зарубежнефть, Петрочайна и т.д.). Суть проекта заключается в разработке таких технологий, которые в пластовых условиях позволят провести облагораживание тяжелых нефтей и битумов в более легкие компоненты за счет применения наноразмерных катализаторов и теплового воздействия. Эти технологии позволят эффективно, экологично и экономично добывать тяжелые нефти и битумы. А ведь именно эти запасы углеводородов должны стать источников энергии в ближайшие 20-30 лет. И мы верим, что у нас получится этого добиться. Уже в этом году планируется пилотное испытание данных технологий на месторождениях в России и на Кубе.

Кроме этого, мы запустили новый проект по изучению гидратов природного газа. Эта тематика интересна с двух точек зрения. С одной стороны, для получения новых источников метана. Среди природных ископаемых именно метан является самым экологичным топливом. В ближайшей перспективе метан будет заменять уголь на рынке энергоресурсов. Чтобы это произошло, необходимы новые источники природного газа. Если удастся вовлечь в разработку месторождения газовых гидратов, то это позволит получить энергию и ресурсы для получения органических материалов на следующие 100-200 лет, а может быть и больше. Но при разработке технологий добычи метана из газовых гидратов нужно помнить, что он является парниковым газом. Причем более чем в 20 раз более сильным, чем углекислый газ. И это настоящий «челлендж» для ученых всего мира: как решить эту важную задачу, не получив экологических проблем. Второй аспект наших исследований газовых гидратов связан с разработкой химических реагентов — ингибиторов гидратообразования. Газовые гидраты могут образовываться при добыче и транспортировке нефти и газа, особенно на месторождениях, расположенных на шельфе в Арктической зоне. Сейчас мы работаем над созданием нового поколения таких реагентов, обладающих высокой эффективностью, но при этом биоразлагаемых. В основе их синтеза лежат достаточно простые химические вещества.

Для меня нефтегазовая область является достаточно новой, но мы нашли в ней интересное и важное направление, в котором мы уже сейчас начали получать востребованные в науке и на практике результаты. И главное, нам удалось сформировать междисциплинарную команду, которая активно коммуницирует с коллегами по всему миру. Мне кажется, в этом будущее современной науки. Новые решения и направления лежат на перепутье нескольких областей. И молодым ученым не нужно бояться выходить за пределы своей области науки и применять свои знания в смежных областях. Сейчас в России формируется несколько университетов мирового уровня. В этом большая заслуга программы 5-100. Есть хорошие лаборатории, талантливые студенты, которым нравится заниматься наукой. Я думаю, что наука становится центром притяжения для умных и заинтересованных в развитии молодых людей, поскольку есть много интересных задач и проблем, в решении которых они могут себя реализовать.