Химия — она и в Африке химия
— Роли и границы фундаментальных наук в современном мире всё время пересматриваются. Не растворяется ли сегодняшняя химия в пограничных с нею областях — биологии, физике, науке о материалах, в модных нанотехнологиях, не происходит ли её размывания как фундаментальной науки?
— Думаю, что нет. Всё-таки и в Англии, и здесь, в России, мы продолжаем преподавать в университетах физику, химию как самостоятельные науки, а нанотехнологии и подобные вещи студенты изучают позже, в магистратурах. Что касается общей ситуации с фундаментальными науками, на мой взгляд, они сейчас более популярны, чем десять или двадцать лет назад. Например, у нас на химфаке — я работаю в Ноттингемском университете — в этом году первокурсников будет на 30% больше, чем год назад. Такие области, как нанотехнологии, довольно модны, но модные тенденции обычно живут не очень долго. Конечно, сегодня резко выросло значениие биологии, но биология — тоже фундаментальная наука.
— И всё же в последние годы Нобелевские премии по химии всё чаще присуждают за исследования, близкие к биологии.
— Это не совсем так. Мы ежегодно делаем видеоролик о нобелевской премии по химии: я сижу у себя в кабинете, по интернету идёт церемония вручения Нобелев-ских премий, потом я объясняю, в чём суть отмеченной работы. В прошлом году премию дали за работу в области физической химии, за квазикристаллы, годом раньше — в области органической химии, два года назад — за каталитическую реакцию кросс-сочетания в органическом синтезе. Иногда награждаются работы по биохимии, но это потому, что не существует Нобелевской премии по биологии. Между тем исследования ДНК и подобные им очень важны и, конечно, должны быть отмечены. Знаю, что некоторые мои коллеги не одобряют такого распределения премий, но, на мой взгляд, оно нравственно.
— С чем, по вашему мнению, связан рост количества первокурсников-химиков, который вы отметили?
— Трудно точно сказать. Возможно, дело в том, что цена обучения выросла в этом году в три раза: с трёх тысяч фунтов до девяти, и студенты чаще решают изучать что-то полезное. Может быть, точные и естественные науки представляются им более полезными, чем, скажем, история. Хотя, с другой стороны, повышение цен произошло совсем недавно, слишком мало времени прошло, чтобы оно могло сущест-венно повлиять на количество студентов. Некоторые физики думают, что в их области сказывается влияние одного молодого физика по имени Брайан Кокс. У него есть целая серия программ на телевидении, а раньше он играл в ансамбле и выглядит на экране соответственно — как музыкант. Он очень модно одет, иногда даже кажется, что это программа не о науке, а о моде… Многие считают, что физика обязана ему ростом своей популярности. А может быть, в наборе в Ноттингемский университет сыграл свою роль наш канал на YouTube. Мы получаем много электронных писем не только из Англии, но и из Кореи, Америки и других стран: школьники пишут, что, посмотрев наш канал, решили изучать химию, потому что она интереснее, чем им раньше казалось. Но я учёный и знаю, что нельзя на основании одного эксперимента строить целую теорию. Надо понаблюдать в течение нескольких лет, чтобы узнать, есть ли статистически достоверный эффект.
— Сейчас сетевые медиа активно ищут своё место не только в деле популяризации науки, но и в собственно образовании. Видеокурсы, записи лекций ведущих профессоров становятся всё более востребованными. Есть ли в этом смысл, на ваш взгляд, и есть ли будущее у «образования по видео»?
— Проблема, на мой взгляд, в том, что видеолекции часто скучны. Слушать профессора, который читает лекцию живьём, присутствовать в академической аудитории — это намного интереснее, чем смотреть то же самое в записи. Я не уверен, что видео — самый эффективный способ передавать информацию. Поэтому у наших видеороликов нет серьёзных образовательных задач. Они интересны, но не пытаются учить. Конечно, записать лекции выдающихся учёных — хорошая мысль. Хотя я сам не отношу себя к аудитории видеолекций, но знаю, что многие с удовольствием послушали бы в записи, например, профессоров Массачусетского технологического института. Но всё это требует серьёзной подготовки, оборудования, редактирования и так далее. Где такие лекции могли бы быть полезнее всего — так это, например, в Африке, где уровень преподавания часто невысок, потому что не хватает опытных преподавателей. Но у них, к сожалению, и интернет-связь развита так слабо, что технически проблематично такие лекции смотреть. Я знаю ситуацию, в частности, в Эфиопии, потому что мой сын преподавал там физику. Обучение ведётся на английском языке, потому что в Эфиопии существует около 80 языков, а для образования нужен какой-то один, общий. Десять лет назад, когда Сёма начал там преподавать, университетов в этой стране было около десяти. Теперь их 31. Но, расширяя сферу образования так радикально за такой короткий срок, очень трудно обеспечить его качество — мало оборудования, мало людей и не хватает многого другого. Вдобавок правительство Эфиопии решило, что 70% студентов должны изучать либо естественные и точные науки, либо технологии. Это же громадное количество! Вот им нужно всё: и книги, и видео, из Европы, из Америки — отовсюду. Я уже заключил договор с издательством научной литературы Oxford University Press и передал диск с копиями книг по физической химии, чтобы их могли издать в Эфиопии для студентов как можно дешевле. Сами книги пересылать слишком сложно и дорого: они толстые и тяжёлые и после пересылки стоили бы там в пять раз дороже, чем в Англии.
Задача Робин Гуда
— Вы член Royal Society, Королевского общества, которое мы здесь у себя привыкли считать британским аналогом Российской академии наук. Как живёт организация, нацеленная на поддержку фундаментальных исследований, сейчас, когда, в связи с кризисом, особенно востребована прагматика?
— Мы только отчасти аналог академии наук. Королевское общество устроено по-другому. У нас нет институтов, академиков, зарплат. Я получаю своё жалованье в Ноттингемском университете, где преподаю, а в Королевском обществе работаю бесплатно. Это позволяет нашей организации оставаться независимой. Мы получаем от правительства небольшие деньги на гранты, около 70 миллионов фунтов, и можем поддерживать хорошие исследования, но в гораздо меньшем масштабе по сравнению, скажем, с Исследовательским советом — Research Council, который получает на поддержку физических наук 700 миллионов фунтов — в 10 раз больше, чем мы. Прикладные исследования мы тоже поддерживаем, у нас есть специальная категория так называемых Applied Candidates — кандидатов в прикладных областях, но в основном всё-таки фундаментальные. Хотя, с другой стороны, я стал членом Королевского общества благодаря зелёной химии, а зелёная, то есть экологически чистая, химия — это довольно прикладная область. У Королевского общества, в силу его устройства, нет тех проблем, которые стоят перед Российской академией наук. У нас нет институтов, нет проблем, связанных с преклонным возрастом учёных... Хотя надо сказать, что у нас приблизительно 1500 членов, и среди них много довольно старых людей. Средний возраст учёного, вступающего в Королевское общество, сейчас около 55 лет. Один из недавно принятых в него математиков, специалист в области математической статистики, подсчитал, что средняя продолжительность жизни учёного после приёма в академию составляет 30 лет или больше.
— Вы упомянули зелёную химию. Если можно, несколько слов о том, что это такое.
— Это экологически чистая химия. В конце 1980-х годов Роджер Шелдон, англичанин, который работает в Голландии, ввёл в употребление понятие E-фактор — показатель того, сколько килограммов отходов приходится на каждый килограмм вещества — конечного продукта. Для обычных пластиков этот показатель может равняться пяти килограммам, но, например, для лекарства (как правило, имеющего сложную молекулярную структуру и требующего многоэтапного синтеза) на каждый килограмм продукции отходов может приходиться до полутонны. Идеология зелёной химии — минимизировать отходы. В идеале — свести к нулю, в реальности хотя бы просто уменьшить по сравнению с нынешним уровнем. Это важно, потому что население Земли растёт, на планете уже просто нет места для химического производства, которое бы могло обслуживать всех по существующим высокоотходным технологиям. И учтите, что 1,3 миллиарда самых бедных должны получить больше химической продукции, потому что у них потребность в лекарствах больше, чем у остальных. Перед химиками стоит задача: как производить больше — из меньшего? Я живу в Ноттингеме, поэтому называю её «задачей Робина Гуда»: как дать бедным, не отнимая у богатых? Это очень интересная и сложная научная проблема.
— Но насколько экономически выгоден переход на зелёные технологии?
— Вы наверняка слышали про лекарство виагра. Первоначально для его производства тратили тысячу триста литров растворителя на каждый килограмм готового продукта. Теперь, используя принципы зелёной химии, — 6,3 литра. Конечно, для компании, которая производит препарат, это очень выгодно, потому что тонна растворителя гораздо дороже, а потом его надо ещё и утилизовать, что тоже очень затратно. Так что обычно зелёная химия экономически довольно привлекательна. Правда, идеальной технологии, которая бы позволяла сделать все процессы экологически чистыми, пока не существует. Мы, зелёные химики, должны её найти. Здесь, в России, идеи зелёной химии активно продвигает академик Валерий Васильевич Лунин, декан химического факультета МГУ. Я надеюсь, что в конце концов всё химическое производство станет зелёным, пусть и не завтра. Ведь это же в принципе глупо — заниматься утилизацией тонн отходов, если можно изначально сделать так, чтобы их не было.
— Зелёная химия — не такая уж новая идея. Насколько быстро она овладевает умами?
— Лет 50 назад вышла очень известная книга Рэйчел Карсон «Silent Spring» — «Безмолвная весна». Карсон писала, что в Центральной Америке, где развито сельское хозяйство, весной совсем нет птиц — из-за химикатов, которые употребляются для обработки растений. Это была первая ласточка американского экологического движения. В Америке организация по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency) оценивает риск с помощью формулы, связывающей его, во-первых, с собственно угрожающим фактором, во-вторых — со степенью, в которой окружающая среда подвергается этой угрозе, то есть с дозой. В обычном химическом производстве мы стремимся минимизировать дозу. Но если угроза изначально равна нулю, то нет необходимости инвестировать в минимизацию дозы. Начинать следует с того, чтобы избавляться от самых токсичных реагентов. Допустим, если вашему производству нужны красители, можно изменить структуру красителя так, чтобы он стал нетоксичным, без ущерба для цвета. С точки зрения Environmental Protection Agency, если какое-то вещество совершенно экологически безопасно, то его использование не надо постоянно контролировать, что выгодно для всех. Эти идеи впервые были выдвинуты 25 лет назад, и с тех пор зелёная химия стала довольно популярна. По её проблематике выходит как минимум десяток научных журналов, проводится очень много конференций. Только в этом году состоялись конференции по зелёной химии в Америке, Бразилии, Индии, России.
— Зелёные технологии уже применяются?
— И достаточно широко. Есть примеры перехода крупных компаний на использование возобновляемых ресурсов. Как вы знаете, для минеральной воды и лимонадов используются пластиковые бутылки. Недавно несколько крупных производителей, в том числе Coca-Cola, Pepsi, Heinz, начали запускать линии по созданию упаковок из возобновляемых ресурсов. Это серьёзные, масштабные производства; на некоторых бутылках вы уже сегодня можете видеть пометку «plant bottle», означающую, что этот пластик сделан из растительного сырья. А в июне на конференции в Бразилии каждый участник получил сумку от бразильской компании Braskem, которая производит этилен из спирта, который, в свою очередь, добывают из сахарного тростника.
— Если зелёная химия так выгодна, почему мы не видим её взрывного распространения по планете?
— Потому что, хотя население и растёт, производство химических веществ расширяется сравнительно медленно. Построить химзавод мирового класса обходится очень дорого — в сотни миллионов долларов. Так что, если какая-то фабрика или завод уже существуют, никто не станет строить новых, по крайней мере, пока производство не понадобится расширять. И вообще смена технологической парадигмы — это небыстрый процесс. Но зелёной химии уже 20 лет, и я думаю, что скоро мы увидим рост. Для большинства населения, впрочем, этот рост может пройти совершенно незамеченным. Люди пока ещё не отдают себе отчёта в том, как много они потребляют химической продукции, между тем она присутствует во всём, что нас окружает: от мобильного телефона до шампуня. В пищевой промышленности ситуация с осведомлённостью получше, потому что, не знаю, как в России, но в Англии люди могут купить и часто предпочитают покупать еду, на которой написано, что она органического происхождения; хотя такие продукты, как правило, дороже. Как только зелёное производство станет выгоднее обычного и затраты производителя при той же цене на его продукцию окажутся ниже, начнётся рост зелёных технологий. Но большинство людей просто продолжат покупать привычные экологически чистые продукты по привычным ценам, не думая, по какой технологии они получены.
Как меняется мир?
— Профессор, вы несколько раз приводили в качестве существенного фактора рост населения. Рост населения в малообеспеченных и проблемных регионах — это, на ваш взгляд, стимул развития высоких и чистых технологий или препятствие?
— Рост населения — это самая серьёзная проблема, которая влечёт за собой все остальные: изменения климата, недостаток нефти, недостаток пищи и так далее. Никто не знает, как эту проблему решать. Правительствам она не очень интересна, потому что срок существования каждого правительства недолог, дело осложняется религиозной проблематикой, вопросами сексуальности… Политикам часто трудно говорить об этом, поскольку у них самих много детей, никто из них не может позволить себе встать и сказать, что необходим контроль над рождаемостью. Но видно, что рост населения зависит от экономического фактора: качества жизни людей. Чем качество жизни выше, тем он ниже. Думаю, что зелёные технологии нужны именно в этом контексте. Они позволяют снабжать людей самым необходимым, но продолжать производить химические вещества старыми методами при таком росте населения скоро станет невозможно. Надо переходить на более эффективные — и довольно срочно. В Индии и в Африке очень интересуются зелёной химией. Девять лет назад в Эфиопии я прочёл свою первую лекцию по зелёной химии, а сегодня там ею занимаются уже многие, потому что считают, что это их будущее.
— К вопросу о будущем: какие новые возможности доступны молодым людям, приходящим в науку сейчас? Что изменилось для вашего внука по сравнению с той наукой, в которую пришли вы?
— Сейчас особенно нужны новые идеи, направленные на решение проблем климата, чистой воды и так далее. Профессор, который учил в своё время меня, рос во время войны, и остриё исследований тогда было направлено на военные цели. А теперь стоят совсем другие задачи: как выживать в будущем, про которое никто ещё ничего не знает. Мы не знаем, откуда будем брать энергию, что будет представлять собой транспорт, каким станет производство — и так далее. Я считаю, сейчас наступило очень важное время для науки. Оно даёт молодым учёным возможность решать жизненно важные задачи: получать энергию, воду и подобное новыми методами.
— А что мотивировало вас в своё время? К чему стремились вы, когда вступали в науку?
— Трудно сказать... Мой отец всегда считал, что я стану учёным. Он был физиком, но, чтобы пойти по его стопам, мне не хватало математической подготовки, и я стал химиком. Помню, что в самом начале, в аспирантуре, я делал интересный проект по спектроскопии при низких температурах и был даже рад тому, что исследование не имеет никакой прикладной ценности. Эта радость была, как я теперь понимаю, довольно глупой. Но я любил проводить эксперименты, узнавать, как действует в том или ином случае nature… не знаю, как это сказать по-русски…
— Природа?
— Нет, не природа. Скорее мир. Мне просто было интересно.
Москва, сентябрь 2012 года.
***
Подробности для любознательных
Катализируй это! Надежды и опасения зелёной химии
Атомарная эффективность/экономичность. Второй, помимо Е-фактора, показатель эффективности той или иной химической технологии. Если Е-фактор оценивает отношение конечного продукта к использованному в его производстве сырью в килограммах, атомарная экономичность оценивает эффективность химической реакции, калькулируя соотношение атомных весов молекул «на входе» и молекулы вещества конечного продукта. Таким образом, зелёный синтез — это атомарно эффективный синтез, максимально утилизирующий в конечном веществе вещества-компоненты.
Катализ. Технологии, основанные на каталитических реакциях по определению «зеленее», поскольку минимизируют объём используемых реагентов. Правда, с учётом того, что большинство сегодняшних катализаторов имеют в основе металлы, сами по себе либо довольно токсичны, либо редки, одна из задач, стоящих перед «зелёными» химиками, — разработать «неметаллический» катализ, на основе органических компонентов (так называемый органокатализ) либо на основе модифицированных энзимов.
Растворители и агенты на основе СО2. Традиционные органические растворители, используемые сегодня, — это мишень зелёной химии номер один. Высокотоксичные и часто, в реальном производстве, объёмные, они затратны в утилизации и, в силу способности распространяться вместе с водой, всегда опасны для окружающей среды. Решая эту задачу, зелёная химия с надеждой смотрит в сторону СО2. В сверхкритическом состоянии (на грани фазового перехода между жидкостью и газом) он позволяет, меняя давление, без дистилляции сепарировать некоторые вещества, растворённые в воде, а его высокую диффузионную способность можно использовать для химической очистки фармацевтических препаратов. Наконец, технологии с использованием СО2 в качестве агента или растворителя не увеличат нагрузку на климат, если использовать СО2 промышленного происхождения — образованный в качестве побочного продукта. Единственное препятствие, которое предстоит преодолевать, — его сжижение энергетически весьма затратно.
Ибупрофен. Самая известная «история успеха» зелёной химии. Синтез этого популярного фармацевтического препарата был запатентован впервые в 1961 году и включал в себя шесть стадий. При этом в атомной массе конечного продукта оставалось лишь 40% атомной массы реагентов, 60% уходило в отходы, в том числе токсичные. Если бы сегодня ибупрофен производили по той же технологии, то отходы составляли бы более 20 000 тонн ежегодно. Срок патента истёк в 1984 году, а уже в начале 1990-х компания BHC переработала синтез с использованием катализа и реагентов, пригодных для многократного употребления, сократила его на три этапа и достигла атомарной экономичности 77%.
По материалам публикации Мартина Полякова и Пита Лайсенса в журнале «Nature» в декабре 2007 года.
***
Большинство людей настораживает само слово «химия», и тем не менее всё, что мы надеваем, едим, чем умываемся и на чём ездим, — это продукция химической и фармацевтической индустрий. Мы пользуемся всё более высоким качеством жизни и её растущей продолжительностью, при этом индустрию, которая всё это нам обеспечивает, часто обвиняют в том, что она отравляет Землю.
Из статьи Мартина Полякова и Пола Анастаса в журнале «Nature», сентябрь 2001 года.
***
Обществу нужны химические препараты. Подобно хорошему повару, химик-производственник стремится к безотходности. И всё же многие виды отходов ядовиты, и единственное, что остаётся, — это затратная их утилизация. С ростом населения и повышением стандартов жизни нынешние методы химического производства станут нерациональными. Производство будет расти пропорционально спросу, объём отходов — увеличиваться, свалки и полигоны перестанут его вмещать. Производителей всё сильнее будет ограничивать экологическое законодательство; контролирующие организации окажутся перегружены, и стоимость утилизации отходов задушит инновации.
Из статьи Мартина Полякова и Пола Анастаса в журнале «Nature», сентябрь 2001 года.
***
В октябре 2011 года численность населения планеты достигла 7 миллиардов (7 × 109) человек. Мобильных телефонов в мире сегодня, наверное, больше, чем зубных щёток, и каждый телефон содержит на удивление много элементов.
Из статьи Мартина Полякова в журнале «Green Chemistry», июль 2012 года.
***
Зелёная химия — это больше, чем просто подчистить существующие процессы; если бы дело обстояло так просто, экономика уже бы заставила производителей двигаться в этом направлении. Скорее, зелёная химия идентифицирует потребности в синтезе новых, более безопасных молекул. Токсичность и полезность того или иного вещества часто обусловлены разными частями одной молекулы, например, пара стратегически расположенных метильных групп, добавленных в молекулу красителя, делают его гораздо менее ядовитым, не затрагивая способности к окрашиванию. Аналогично, незначительные структурные изменения могут увеличить биоразлагаемость молекулы.
Из статьи Мартина Полякова в журнале «Green Chemistry», июль 2012 года.
