В Центре коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» Института катализа СО РАН, который сейчас строится в наукограде Кольцово, будут проводиться исследования, необходимые для создания новых высокоэффективных катализаторов, топливных элементов, батарей, высокотемпературных проводников, искусственных белков (фармацевтических препаратов) и других функциональных материалов. О возможностях СКИФ для развития этого направления рассказал координатор разработки и создания Станции СКИФ «XAFS спектроскопия» Андрей Сараев на заседании Совета молодых учёных и специалистов при Правительстве Новосибирской области.
«Именно структура в большинстве случаев определяет то, какими свойствами обладает материал. Например, углерод в природе существует в различных состояниях: уголь, графит, алмаз или графен. При этом каждое из этих веществ имеет различную структуру и, как вы знаете, свойства. Графит - мягкий, слоистый материал, алмаз, напротив, обладает очень высокой твердостью. Графен - перспективный материал для электроники. Для управлениями свойствами материала необходимо проводить исследования его структуры», — отметил исследователь.
Не всегда лабораторные приборы могут дать необходимую информацию о структуре материала, а некоторые методики и вовсе не могут быть реализованы на лабораторных приборах. Для этого необходимы источники синхротронного излучения, только с их помощью можно исследовать объекты на атомарном уровне.
«Такие уникальные установки класса «мегасайенс», как СКИФ, имеют широкий диапазон физико-химических методов и позволяют получать большой объем информации. В результате ученые могут настраивать и синтезировать материалы под разные задачи. Например, это могут быть катализаторы для тонкого органического синтеза, катализаторы для селективного окисления простых спиртов в ценные органические соединения, например, в метилформиат, формальдегид, муравьиную кислоту. Они обладают высокой стоимостью, используются в фармакологии, лакокрасочной и парфюмерной промышленности, применяются как присадки к дизельному и бензиновому топливу и для многих других целей», — рассказал Андрей Сараев.
Синхротронные исследования очень востребованы в науке: ежегодно выходит порядка 15 тысяч публикаций, включающих результаты, полученные с использованием синхротронного излучения. Причем объектами изучения могут выступать не только функциональные материалы, но также и вирусы, живые организмы, археологические находки и др.
Исследователи, которые будут приезжать на СКИФ, смогут проводить эксперименты с использованием различных методов, в зависимости от поставленной задачи. Это может быть нано-, микро- или макроуровень.
«Кроме того, современная наука диктует необходимость изучения объектов не только в стабильном состоянии, но и в процессе их реального функционирования. Для этого на СКИФ будут проводиться исследования в режимах in situ и operando. То есть будут варьироваться параметры эксперимента (температура, давление, подача каких-либо газов), которые моделируют реальные условия, в результате будет возможно, например, измерить скорость реакции, селективность по продуктам, а также другие показатели. Например, это важно при синтезе катализаторов – веществ, которые применяются в химической промышленности для управления скоростью протекания реакции», — рассказал Андрей Сараев.
Среди глобальных вызовов для современной науки Андрей Сараев назвал синтез водорода из органических веществ (глицерин, спирты), фотокаталитическое превращение CO2 в ценные органические продукты (метан, синтез-газ, метанол), очистку продуктов деятельности промышленных предприятий (дымовые газы, шламы, нефтехимическихе отходы), рекультивацию мусорных полигонов, создание новых топливных элементов и новых типов электрических батарей. Для решения этих задач необходимы функциональные материалы, направленное создание которых невозможно без проведения синхротронных исследований.
Высокий спрос на такие исследования и ограниченность возможностей (в России два источника СИ первого и второго поколений) порождают высокую конкуренцию за экспериментальное время на зарубежных источниках СИ, где приоритет отдается национальным пользователям. Таким образом, ввод СКИФ в эксплуатацию даст российским ученым возможность проведения исследований на самом современном уровне и в необходимом объеме.