Високі та чисті
М. Поляков, віце-президент Лондонського королівського товариства, іноземний член РАН. Розмову ведуть Є. Лозовська та Є. Вешняківська.
Хімія - вона і в Африці хімія
— Ролі та межі фундаментальних наук у сучасному світі постійно переглядаються. Чи не розчиняється сьогоднішня хімія в прикордонних з нею областях — біології, фізики, науки про матеріали, в модних нанотехнологіях, чи не відбувається її розмивання як фундаментальної науки?
- Думаю що ні. Все-таки і в Англії, і тут, в Україні, ми продовжуємо викладати в університетах фізику, хімію як самостійні науки, а нанотехнології та подібні речі студенти вивчають пізніше, у магістратурах. Щодо загальної ситуації з фундаментальними науками, на мій погляд, вони зараз більш популярні, ніж десять чи двадцять років тому. Наприклад, у нас на хімфаку — я працюю в Ноттінгемському університеті — цього року першокурсників буде на 30% більше ніж рік тому. Такі галузі, як нанотехнології, досить модні, але модні тенденції зазвичай мешкають не дуже довго. Звичайно, сьогодні різко зросло значення біології, але біологія теж фундаментальна наука.
— І все ж таки останніми роками Нобелівські премії з хімії все частіше присуджують за дослідження, близькі до біології.
— З чим, на вашу думку, пов'язане зростання кількості першокурсників-хіміків, яке ви відзначили?
— Важко сказати. Можливо, річ у тому, що ціна навчання зросла цього року втричі: із трьох тисяч фунтів до дев'яти, і студенти частіше вирішують вивчати щось корисне. Можливо, точні та природничі науки видаються їм кориснішими, ніж, скажімо, історія. Хоча, з іншого боку, підвищення цін відбулося зовсім недавно,занадто мало часу пройшло, щоб воно могло суттєво вплинути на кількість студентів. Деякі фізики думають, що в їхній області позначається вплив одного молодого фізика на ім'я Брайан Кокс. Він має цілу серію програм на телебаченні, а раніше він грав в ансамблі і виглядає на екрані відповідно — як музикант. Він дуже модно одягнений, іноді навіть здається, що це програма не про науку, а про моду... Багато хто вважає, що фізика завдячує йому зростанням своєї популярності. А може, в наборі до Ноттінгемського університету зіграв свою роль наш канал на YouTube. Ми отримуємо багато електронних листів не лише з Англії, а й з Кореї, Америки та інших країн: школярі пишуть, що, подивившись наш канал, вирішили вивчати хімію, бо вона цікавіша, ніж їм здавалося раніше. Але я вчений і знаю, що не можна на підставі одного експерименту будувати цілу теорію. Потрібно поспостерігати протягом кількох років, щоб дізнатися, чи є статистично достовірний ефект.
Завдання Робін Гуда
— Ви член Royal Society, Королівського товариства, яке ми тут звикли вважати британським аналогом української академії наук. Як живе організація, націлена на підтримку фундаментальних досліджень, зараз, коли у зв'язку з кризою особливо затребувана прагматика?
- Ви згадали зелену хімію. Якщо можна, кілька слів про те, що це таке.
- Це екологічно чиста хімія. Наприкінці 1980-х років Роджер Шелдон, англієць, який працює в Голландії, ввів у вжиток поняття E-фактор - показник того, скільки кілограмів відходів припадає на кожен кілограм речовини - кінцевого продукту. Для звичайних пластиків цей показник може дорівнювати п'яти кілограмам, але, наприклад, для ліків (як правило, що має складну молекулярнуструктуру та вимагає багатоетапного синтезу) на кожен кілограм продукції відходів може припадати до півтонни. Ідеологія зеленої хімії – мінімізувати відходи. В ідеалі звести до нуля, насправді хоча б просто зменшити порівняно з нинішнім рівнем. Це важливо, тому що населення Землі росте, на планеті вже просто немає місця для хімічного виробництва, яке могло б обслуговувати всіх за існуючими високовідхідними технологіями. І врахуйте, що 1,3 мільярди найбідніших мають отримати більше хімічної продукції, тому що у них потреба у ліках більша, ніж у інших. Перед хіміками стоїть завдання: як виготовляти більше — із меншого? Я живу в Ноттінгемі, тому називаю її «завданням Робіна Гуда»: як дати бідним, не забираючи у багатих? Це дуже цікава та складна наукова проблема.
— Але наскільки економічно вигідним є перехід на зелені технології?
— Ви, напевно, чули про ліки віагра. Спочатку для його виробництва витрачали 1300 літрів розчинника на кожен кілограм готового продукту. Тепер, використовуючи принципи зеленої хімії, – 6,3 літри. Звичайно, для компанії, яка виробляє препарат, це дуже вигідно, тому що тонна розчинника набагато дорожча, а потім її треба ще й утилізувати, що також дуже затратно. Отже, зазвичай зелена хімія економічно досить приваблива. Щоправда, ідеальної технології, яка б дозволяла зробити всі процеси екологічно чистими, поки що не існує. Ми, зелені хіміки, маємо її знайти. Тут, в Україні, ідеї зеленої хімії активно просуває академік Валерій Васильович Лунін, декан хімічного факультету МДУ. Я сподіваюся, що зрештою все хімічне виробництво стане зеленим, хай і завтра. Адже це в принципі безглуздо займатися утилізацією тоннвідходів, якщо можна спочатку зробити так, щоб їх не було.
- Зелена хімія - не така вже нова ідея. Наскільки швидко вона опановує умами?
— Років 50 тому вийшла дуже відома книга Рейчел Карсон «Silent Spring» — «Безмовна весна». Карсон писала, що у Центральній Америці, де розвинене сільське господарство, навесні немає птахів — через хімікатів, які використовуються обробки рослин. Це була перша ластівка американського екологічного руху. В Америці організація захисту навколишнього середовища (Environmental Protection Agency) оцінює ризик за допомогою формули, що пов'язує його, по-перше, з власне загрозливим фактором, по-друге — зі ступенем, в якому навколишнє середовище піддається цій загрозі, тобто з дозою. У звичайному хімічному виробництві ми прагнемо мінімізувати дозу. Але якщо загроза спочатку дорівнює нулю, то немає потреби інвестувати в мінімізацію дози. Починати слід з того, щоб позбавлятися найтоксичніших реагентів. Допустимо, якщо вашому виробництву потрібні барвники, можна змінити структуру барвника так, щоб він став нетоксичним без шкоди для кольору. З точки зору Environmental Protection Agency, якщо якась речовина є абсолютно екологічно безпечною, то її використання не треба постійно контролювати, що вигідно для всіх. Ці ідеї вперше були висунуті 25 років тому, і з того часу зелена хімія стала досить популярною. За її проблематикою виходить щонайменше десяток наукових журналів, проводиться дуже багато конференцій. Тільки цього року відбулися конференції із зеленої хімії в Америці, Бразилії, Індії, Укаїні.
— Зелені технології вже застосовуються?
— Якщо зелена хімія така вигідна, чому ми не бачимо її вибухового поширення по планеті?
Як змінюєтьсясвіт?
— Професоре, ви кілька разів призводили до суттєвого чинника зростання населення. Зростання населення в малозабезпечених і проблемних регіонах — це, на вашу думку, стимул розвитку високих і чистих технологій чи перешкода?
— Зростання населення — це найсерйозніша проблема, яка спричиняє всі інші: зміни клімату, нестачу нафти, нестачу їжі тощо. Ніхто не знає, як вирішувати цю проблему. Урядам вона не дуже цікава, тому що термін існування кожного уряду недовгий, справа ускладнюється релігійною проблематикою, питаннями сексуальності… Політикам часто важко говорити про це, оскільки у них багато дітей, ніхто з них не може дозволити собі встати і сказати, що необхідний контроль над народжуваністю. Але видно, зростання населення залежить від економічного чинника: якості життя людей. Чим якість життя вища, тим вона нижча. Думаю, що зелені технології потрібні саме у цьому контексті. Вони дозволяють постачати людей найнеобхіднішим, але продовжувати виробляти хімічні речовини старими методами за такого зростання населення скоро стане неможливо. Треба переходити на ефективніші — і досить терміново. В Індії та в Африці дуже цікавляться зеленою хімією. Дев'ять років тому в Ефіопії я прочитав свою першу лекцію з зеленої хімії, а сьогодні там нею займаються вже багато хто, бо вважають, що це їхнє майбутнє.
— До питання про майбутнє: які нові можливості доступні молодим людям, які зараз приходять у науку? Що змінилося для вашого онука порівняно з тією наукою, до якої прийшли ви?
— Зараз особливо потрібні нові ідеї, спрямовані на вирішення проблем клімату, чистої води тощо. Професор, який навчав свого часу мене, ріс під час війни, і вістря досліджень тодібуло спрямовано військові мети. А тепер стоять зовсім інші завдання: як виживати в майбутньому, про яке ще ніхто нічого не знає. Ми не знаємо, звідки братимемо енергію, що буде транспортом, яким стане виробництво — і так далі. Я вважаю, що зараз настав дуже важливий час для науки. Воно дає молодим вченим можливість вирішувати життєво важливі завдання: отримувати енергію, воду та подібне до нових методів.
— А що мотивувало вас свого часу? Чого прагнули ви, коли вступали в науку?
- Важко сказати. Мій батько завжди вважав, що я стану вченим. Він був фізиком, але, щоб піти його стопами, мені не вистачало математичної підготовки, і я став хіміком. Пам'ятаю, що на самому початку, в аспірантурі, я робив цікавий проект із спектроскопії за низьких температур і був навіть радий тому, що дослідження не має жодної прикладної цінності. Ця радість була, як я тепер розумію, досить дурною. Але я любив проводити експерименти, дізнаватися, як діє у тому чи іншому випадку nature… не знаю, як це сказати українською мовою…
- Ні, не природа. Скоріше світ. Мені просто було цікаво.
Подробиці для допитливих
Каталізуй це! Надії та побоювання зеленої хімії
Атомарна ефективність/економічність.Другий, крім Е-фактора, показник ефективності тієї чи іншої хімічної технології. Якщо Е-фактор оцінює ставлення кінцевого продукту до використаної у його виробництві сировини в кілограмах, атомарна економічність оцінює ефективність хімічної реакції, калькулюючи співвідношення атомних ваг молекул «на вході» та молекули речовини кінцевого продукту. Таким чином, зелений синтез - це атомарно ефективний синтез, що максимально утилізує в кінцевій речовині речовини-компоненти.
Каталіз.Технології, засновані на каталітичних реакціях за визначенням «зеленішими», оскільки мінімізують обсяг використовуваних реагентів. Щоправда, з урахуванням того, що більшість сьогоднішніх каталізаторів мають в основі метали, самі по собі або досить токсичні, або рідкісні, одне із завдань, що стоять перед «зеленими» хіміками, — розробити «неметалевий» каталіз на основі органічних компонентів (так званий органокаталіз) чи основі модифікованих ензимів.
Розчинники та агенти на основі СО2.Традиційні органічні розчинники, що використовуються сьогодні, - це мета зеленої хімії номер один. Високотоксичні і часто, у реальному виробництві, об'ємні, вони затратні в утилізації і, зважаючи на здатність поширюватися разом з водою, завжди небезпечні для довкілля. Вирішуючи це завдання, зелена хімія з надією дивиться у бік СО2. У надкритичному стані (на межі фазового переходу між рідиною та газом) він дозволяє, змінюючи тиск, без дистиляції сепарувати деякі речовини, розчинені у воді, а його високу дифузійну здатність можна використовувати для хімічного очищення фармацевтичних препаратів. Нарешті, технології з використанням СО2 як агента або розчинника не збільшать навантаження на клімат, якщо використовувати СО2 промислового походження - утворений як побічний продукт. Єдина перешкода, яку треба долати, — її зрідження енергетично дуже затратне.
Ібупрофен.Найвідоміша «історія успіху» зеленої хімії. Синтез цього популярного фармацевтичного препарату був запатентований вперше в 1961 році і включав шість стадій. При цьому в атомній масі кінцевого продукту залишалося лише 40% атомної маси реагентів, 60% уходили у відходи, у тому числітоксичні. Якби сьогодні ібупрофен виробляли за тією ж технологією, то відходи становили б понад 20 000 тонн щорічно. Термін патенту минув у 1984 році, а вже на початку 1990-х компанія BHC переробила синтез з використанням каталізу та реагентів, придатних для багаторазового вживання, скоротила його на три етапи та досягла атомарної економічності 77%.
Більшість людей насторожує саме слово «хімія», проте все, що ми надягаємо, їмо, чим вмиваємося і на чому їздимо, — це продукція хімічної та фармацевтичної індустрій. Ми користуємося все більш високою якістю життя і її тривалістю, при цьому індустрію, яка все це нам забезпечує, часто звинувачують у тому, що вона отруює Землю.
Суспільству потрібні хімічні препарати. Подібно до хорошого кухаря, хімік-виробник прагне до безвідходності. І все ж таки багато видів відходів отруйні, і єдине, що залишається, - це витратна їх утилізація. Зі зростанням населення та підвищенням стандартів життя нинішні методи хімічного виробництва стануть нераціональними. Виробництво зростатиме пропорційно до попиту, обсяг відходів — збільшуватися, звалища та полігони перестануть його вміщувати. Виробників все сильніше обмежуватиме екологічне законодавство; контролюючі організації виявляться перевантаженими, і вартість утилізації відходів задушить інновації.
Зелена хімія – це більше, ніж просто підчистити існуючі процеси; якби було так просто, економіка вже змусила б виробників рухатися у цьому напрямі. Скоріше, зелена хімія ідентифікує потреби у синтезі нових, безпечніших молекул. Токсичність та корисність тієї чи іншої речовини часто обумовлені різними частинами однієї молекули, наприклад, пара стратегічно розташованих метильних груп,доданих у молекулу барвника, роблять його набагато менш отруйним, не торкаючись здатності до фарбування. Аналогічно, незначні структурні зміни можуть збільшити біорозклад молекули.