В 10 тысяч раз быстрее. Почему Фирташ должен ненавидеть химиков из Миннесоты
В отличие от биологии, физики и астрономии, химия редко удивляет прорывными открытиями. Тем не менее современная экономика зависит от химических технологий самым критическим образом. Без них бы остановились автомобильный и авиатранспорт, пришло в упадок земледелие, заглохли многие отрасли промышленного производства. А раз так, то потенциально химия чревата сюрпризами, способными до неузнаваемости преобразить наше повседневное бытие. И весь вопрос в том, когда же она ими разродится.
Сенсация из Миннесоты
Возможно, как раз таким сногсшибательным сюрпризом окажется открытие, которым уже похвастались химики Миннесотского университета. Они утверждают, что вместе с коллегами из Массачусетского университета в Амхерсте открыли "новую технологию, которая может ускорять химические реакции в 10 тыс. раз по сравнению с текущим пределом скорости реакции". Эти результаты могут увеличить скорость и снизить стоимость тысяч химических процессов, используемых при производстве удобрений, продуктов питания, топлива, пластмасс и прочей продукции, уверяют авторы открытия.
Конечно, к такого рода анонсам нужно относиться без чрезмерного восторга и со здоровой долей скепсиса. Необходимы независимые экспериментальные проверки. И даже если эффективность этой технологии будет подтверждена химиками из других лабораторий, громко объявленная сенсация может тихо умереть. Все-таки от лабораторной разработки до практического внедрения - огромная дистанция. И на этом пути могут встретиться разные препятствия.
Например, на каком-то этапе может банально не хватить финансирования. Или же препятствия могут быть искусственно созданы химическими гигантами, если те увидят в новом изобретении угрозу своим прибылям. Впрочем, если это открытие в самом деле революционное, то наверняка среди тех же химических гигантов найдутся желающие его освоить и взять на вооружение, дабы опередить конкурентов.
Падение столетнего запрета
Говоря об ускорении химических реакций в 10 тыс. раз сверх предела, авторы открытия имеют в виду каталитические реакции. Напомним, что катализатором называется вещество, которое ускоряет реакцию, помогая взаимодействовать ее участникам, но само в процессе реакции не расходуется. Большинство химических реакций - будь то реакции, протекающие в живых организмах или применяемые в нефтепереработке и химической промышленности, - являются каталитическими. То есть без катализаторов они не происходят.
В связи с этим необходимо упомянуть одного из самых выдающихся исследователей катализа - французского химика Поля Сабатье (1854-1941). В 1912 г. он получил Нобелевскую премию по химии за предложенные им каталитические технологии, давшие мощный толчок развитию органической химии. Но он же открыл, что все подобные технологии ограничены в своих возможностях естественным пределом, выше которого им не прыгнуть. Сабатье сформулировал этот предел в своей книге "Катализ в органической химии", которая вышла в Париже в 1920 г.
Суть проблемы в том, что связь катализатора с реагентами должна быть не слишком слабой, но и не слишком сильной. Если она слаба, то эффективность катализатора низка. Если же связь катализатора с одним из реагентов слишком сильна, то другой реагент оказывается в роли третьего лишнего - и желаемая реакция опять-таки не идет. Поэтому приходится искать золотую середину. Это называется принципом Сабатье. А наибольшая достижимая скорость реакции называется максимумом Сабатье.
Почти сто лет принцип Сабатье считался нерушимым. И вот теперь химики из Миннесоты открыли способ его проигнорировать, словно его нет и никогда не было. Обещанное ими превышение максимума Сабатье в 10 тыс. раз - это не просто много. Это очень-очень много. Например, возьмем пешехода, неспешно прогуливающегося со скоростью 4 км в час. Если вдруг увеличить его скорость в 10 тыс. раз - этого хватит, чтобы преодолеть земное притяжение и устремиться в дальнее космическое путешествие. То есть получится технологический рывок от ходьбы сразу к полету на ракете, минуя все промежуточные этапы типа кибитки, автомобиля и самолета.
Именно перед такой перспективой оказалась сейчас химическая и нефтехимическая промышленность. И если ей действительно предстоит грандиозное технологическое ускорение, то это может стать для нее очень серьезным испытанием.
Как невозможное стало возможным
По словам химиков Миннесотского университета, открытие динамического резонанса в катализе (так они назвали свою технологию) является частью более крупной миссии CCEI (Catalysis Center for Energy Innovation) - Каталитического центра энергетических инноваций. Это мультиинституциональный исследовательский центр, созданный в 2009 г. в Университете штата Делавэр на грант министерства энергетики США. Как отмечают ученые, CCEI сосредоточился на разработке инновационных каталитических технологий с использованием современных наноматериалов для эффективного преобразования растительной биомассы в химические вещества и топливо.
Таким образом, химики американских университетов уже 10 лет на деньги федерального бюджета США ведут широкий фронт работ по поиску новых каталитических технологий. Поэтому успех ученых из Миннесоты трудно назвать случайным. А вот то, что их открытие не стало коммерческой тайной, это действительно большая удача для мировой науки. Результаты своего исследования ученые подробно изложили в статье в ACS Catalysis - ведущем научном журнале Американского химического общества.
Как же им все-таки удалось обойти запрет, наложенный Сабатье почти сто лет назад? Разгадка кроется в том, что принцип Сабатье действует только для реакций, идущих с постоянной скоростью, но он не распространяется на волнообразные реакции, скорость которых быстро меняется во времени и в пространстве. В ходе своих исследований ученые обнаружили, что они могут превзойти максимум Сабатье на три-четыре порядка (то есть в тысячу или даже в 10 тыс. раз), используя динамический катализатор, быстро колеблющийся между двумя электронными состояниями, одно из которых обеспечивает слишком слабую, а другое - слишком сильную связь с реагентами. Нужно только так подобрать частоту этого колебания, чтобы она вступила в резонанс с естественной частотой химической реакции.
Ученые проделали громадную работу, комбинируя различные характеристики динамического катализатора. В частности, они варьировали размах колебаний и их форму, а главное, меняли их частоту в самых широких пределах - от очень низкой до сверхвысокой. "Мы давно поняли, что катализаторы должны изменяться во времени, и оказывается, что частоты от килогерца до мегагерца резко ускоряют скорость катализа", - говорит один из авторов исследования, профессор Миннесотского университета Пол Дауэнхауэр.
В ожидании технологической войны
Способность ускорять химические реакции напрямую влияет на тысячи технологий, используемых для производства различных веществ и материалов. В прошлом веке эти технологии были оптимизированы с использованием статических катализаторов, таких как металлы, нанесенные на пористые поверхности. Многократное повышение скорости реакций может значительно сократить количество оборудования, необходимого для производства удобрений, топлива, пластмасс и другой повседневно используемой продукции, что должно привести к существенному удешевлению этого производства.
Казалось бы, это должно быть исключительно выгодно химическим концернам. Однако новая технология опасна для них тем, что она может способствовать появлению множества конкурентов. Ученые отмечают, что сейчас большинство химических веществ и материалов производятся только в огромных централизованных местах, таких как нефтеперерабатывающие заводы и химические комбинаты, поскольку крупные традиционные каталитические системы обеспечивают существенную экономию средств. Переход на динамические катализаторы может сделать рентабельным мелкомасштабное производство, которое можно будет размещать близко к потребителю, в том числе в сельской местности.
"Это может полностью изменить способ производства почти всех наших основных химических веществ, материалов и топлива", - подчеркивает директор CCEI профессор Дионисиос Влахос. Он уверен, что предстоит всемирный переход от статических к динамическим катализаторам, и предсказывает, что это будет столь же значительным и драматическим событием в мировой истории, каким в начале прошлого века был переход от постоянного электрического тока к переменному, определивший многие особенности нашей нынешней цивилизации. В этих словах директора CCEI трудно не прочитать намек на то, что нас ждет не только крупная технологическая революция, но и большая технологическая война.
Несомненно, эта война затронет и Украину. Как известно, крупнейшие активы в украинской химической промышленности сконцентрировала в своих руках группа Дмитрия Фирташа. Однако она может лишиться своих преимуществ, например, если в каждом райцентре появится свой мини-завод по производству азотных удобрений, рентабельный благодаря технологии динамического резонанса.
Стимул для новых изобретений
Впрочем, последствия освоения технологии динамического резонанса не ограничатся только переходом от крупных к мелким химическим и нефтехимическим производствам. Следует ожидать бурного развития разнообразных химических технологий, внедрение которых ранее сдерживалось из-за дороговизны.
Открывшиеся перспективы вкратце можно описать так. Химики привыкли искать новые катализаторы в рамках парадигмы, заданной столетие назад Сабатье: они должны взаимодействовать с реагентами не слишком слабо, но и не слишком сильно. И каждый год из разных стран мира приходят сообщения о довольно замечательных открытиях. Технология динамического резонанса отнюдь не обесценивает все эти достижения, а наоборот, повышает их ценность, поскольку обещает освободить их от запрета, наложенного Сабатье. Если химики в изобретенных ими технологиях перейдут от статического к динамическому катализу и благодаря этому получат многократное ускорение реакций, это может значительно облегчить и удешевить их внедрение.
За последние годы накопилось немало интересных разработок, открывающих путь к реакциям, которые ранее считались невозможными. Не исключено, что технология динамического резонанса даст этим разработкам дополнительный толчок и поможет им дойти до практической реализации в промышленном производстве.
В качестве примера можно привести работы, ведущиеся в CCEI. В феврале этого года (еще до сообщения участвующих в CCEI химиков Миннесотского университета об открытии динамического резонанса в катализе) этот центр рассказал о достигнутом им успехе в освоении реакций, обеспечивающих превращение бытовых отходов и растительной биомассы (такой как древесная щепа и трава) в полезные продукты - топливо и химикаты. Вместо очень дорогих катализаторов типа платины CCEI научился использовать гораздо более дешевые оксиды металлов.
Одним из соавторов этого исследования стал директор CCEI Дионисиос Влахос, который прекрасно осведомлен также и о достижениях химиков из Миннесоты. Можно ожидать, что теперь он постарается в рамках CCEI объединить успехи двух групп, с тем чтобы научиться использовать оксиды металлов не в статическом, а в динамическом катализе. По крайней мере, если такая технология возможна, то освоения ее стоит ожидать прежде всего в CCEI.
Если эта технология будет доведена до ума, то повсеместным явлением, подобно пекарням и ресторанчикам, станут мини-заводы по производству топлива для автотранспорта (если, конечно, потребность в бензине и солярке не отпадет из-за тотального перехода на электродвигатели). Они будут способны работать на любой растительной биомассе и даже на бытовых отходах, избавляя города от мусорных свалок и при этом внося заметный вклад в местную экономику.
Что же касается перспективности оксидов металлов в качестве катализаторов для производства топлива, то тут уже есть подтверждение от европейских конкурентов. В июле ученые из Высшей технической школы Цюриха (Швейцария) и французской нефтегазовой компании Total сообщили о разработанном ими новом катализаторе, который превращает углекислый газ и водород в чистый метанол. По словам ученых, это катализатор на основе оксида индия и небольшого количества палладия.
Как заработать на парниковых газах
Над способами утилизации углекислого газа - главного фактора, вызывающего парниковый эффект и глобальное потепление, - сейчас работает множество исследовательских групп в разных странах. Например, ученые из университета RMIT в Австралии изобрели метод превращения углекислого газа в частицы чистой сажи. Процесс происходит сравнительно быстро и не требует проведения сложных и дорогих химических реакций. Добиться такого результата позволило добавление наночастиц металлического церия.
"Сейчас углекислый газ превращается в твердый углерод только при чрезвычайно высоких температурах, что делает этот процесс промышленно нежизнеспособным. Используя жидкие металлы в качестве катализатора, мы в своем исследовании показали, что можно превратить газ обратно в углерод при комнатной температуре в процессе, который эффективен и масштабируем. Хотя требуется больше исследований, это важный первый шаг", - говорит соавтор исследований Торбен Даенеке.
Группа американских химиков, которую возглавляет профессор Ратгерского университета в Нью-Брансуике Чарльз Дисмукс, нашла дешевый способ превращения углекислого газа в разнообразные полезные вещества. Используя пять различных катализаторов из никеля и фосфора, которые являются довольно дешевыми и распространенными элементами, исследователи научились электрохимически преобразовывать углекислый газ и воду в соединения, содержащие от одного до четырех атомов углерода. Эти структуры могут использоваться для производства пластмасс, клеев и даже медикаментов.
"Наш прорыв позволяет превращать углекислый газ в сырье для химической и фармацевтической промышленности", - резюмирует Чарльз Дисмукс. Следующим шагом в работе его группы будет выяснение возможности использовать новую технологию для производства гликолей и углеводородов.
