На соискание Государственной премии Республики Татарстан в области науки и техники за 2008 год выдвинута работа «Супрамолекулярные системы на основе каликсаренов», представленная коллективом авторов из Института органической и физической химии имени Арбузова Казанского научного центра РАН (ИОФХ) и Казанского государственного университета во главе с академиком Александром Коноваловым. Эта работа включает в себя более чем 15-летние исследования данного коллектива в этой области.
Научные исследования и технологические разработки, которые сейчас относят к области нанонауки и нанотехнологий, известны примерно с середины XX века. Стремительное развитие нанотехнологий позволяет сегодня конструировать материалы с заданными свойствами в первую очередь так называемые «умные» или «интеллектуальные“. Среди них особый интерес представляют элементы электроники (переключатели, светодиоды) , устройства хранения и передачи информации, сенсоры, системы распознавания, лекарственные препараты нового поколения. Примерами использования таких материалов являются солнцезащитные очки-“хамелеоны» или самовосстанавливающиеся полимерные покрытия.
Одним из наиболее эффективных путей создания таких наноматериалов является технология «снизу-вверх», базирующаяся на самопроизвольной сборке отдельных атомов и молекул, в результате чего образуются сложные высокоорганизованные супрамолекулярные системы с широко варьируемыми размерами и свойствами. Благодаря этому в науке возникло новое направление — супрамолекулярная химия, которая превратилась в эффективный инструмент нанотехнологий и материаловедения.
Супрамолекулярные системы — это структуры, образующиеся при соединении двух или большего числа атомов или молекул друг с другом за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Наиболее ярким примером такой системы является двойная спираль ДНК, известная многим из учебников по биохимии. Особая роль супрамолекулярных систем для нанонауки обусловлена двумя основными причинами. Во-первых, именно такие системы играют ключевую роль в процессах жизнедеятельности. Во-вторых, супрамолекулярные системы являются основой конструирования самоорганизующихся наночастиц и наноматериалов, обладающих уникальными магнитными, электрическими, оптическими и другими полезными свойствами. Поэтому исследованиям супрамолекулярных систем уделяется серьезное внимание со стороны специалистов, работающих в различных областях науки и техники. В феврале 2008 года на расширенном заседании Президиума Российской академии наук обсуждались достижения и перспективы развития супрамолекулярной химии в России. С основным докладом выступил академик РАН и АН РТ Александр Коновалов — координатор академической программы «Химия и физико-химия супрамолекулярных систем и атомных кластеров». И это не случайно.
Исследования в области супрамолекулярной химии были начаты в Казани в начале 90-х годов прошлого столетия одновременно в Институте органической и физической химии имени А.Е.Арбузова и в Казан-ском государственном университете. Их инициировал именно Александр Коновалов, который в 1990 году сменил пост ректора КГУ на должность директора ИОФХ. Символично, что это новое для нашей страны научное направление зарождалось в период, когда российская наука переживала не лучшие времена. Прошли годы, и казанские ученые наглядно продемонстрировали, что принцип самосборки супрамолекулярных систем из отдельных атомов и молекул может эффективно реализоваться при использовании необычных органических макроциклов — каликсаренов. В результате был развит комплексный подход, позволивший целенаправленно получать сложные макроциклические соединения на платформе каликсаренов. Были разработаны научные основы конструирования уникальных самоорганизующихся супрамолекулярных систем и наноразмерных объектов.
Что может дать такая технология на практике? Приведу несколько конкретных примеров. Скажем, из простых молекул были сконструированы супрамолекулярные катализаторы, представляющие собой своеобразные наноконтейнеры размером от 2 до 120 нанометров. Они обладают высокой избирательностью и широким диапазоном каталитического действия в таких процессах, как быстрое разложение токсичных соединений (например, фосфорорганических отравляющих веществ).
Второй пример: подобные наноконтейнеры используются в качестве своеобразного транспорта для адресной доставки лекарственного средства в конкретную точку живого организма. Также на основе супрамолекулярных соединений созданы искусственные системы распознавания запахов, получившие название «электронный нос». И, наконец, найдены экстрагенты нового типа на основе тех же каликсаренов, которые способны эффективно и селективно извлекать опасные радиоактивные элементы, например ионы технеция, из отходов переработки ядерного топлива. Ряд подобных разработок является основой для современных наукоемких технологий, которые могут быть реализованы в России в целом и в Татарстане в частности.
В ходе исследований казанских ученых было наглядно продемонстрировано, что весь этот комплекс свойств — молекулярное распознавание, самоорганизация, транспорт ионов и нейтральных молекул, супрамолекулярный катализ — присущ не только живым объектам, но и искусственным синтетическим супрамолекулярным системам на базе каликсаренов, полученным в химической колбе. То есть супрамолекулярные системы играют роль некоего моста между живой и неживой материей.
Именно этот фундаментальный вывод является, по сути, базовым в выдвинутой на Государственную премию РТ работе «Супрамолекулярные системы на основе каликсаренов». Все ключевые разделы данной работы широко обсуждались научной общественностью на представительных форумах в России, США, Великобритании, Франции, Нидерландах, Греции, Италии, Германии, Чехии.
Нельзя не отметить, что обеспечить высочайший уровень этой работы можно было только при финансовой поддержке целого ряда российских и международных научных фондов, Министерства образования и науки Российской Федерации, Российской академии наук и Академии наук.
Неудивительно, что именно Казань, город с вековыми научными традициями, стала одним из наиболее крупных российских центров в области супрамолекулярной химии. Ведь еще в XIX веке она была названа «колыбелью» российской органической химии, здесь была создана всемирно известная научная школа химиков-органиков, среди которых значатся имена Николая Зинина, Александра Бутлерова, Владимира Марковникова, Александра и Бориса Арбузовых. Ученик последнего, Александр Коновалов, сумел увлечь идеями супрамолекулярной химии и объединить вокруг себя ученых разных научных дисциплин: химиков, физиков, биологов, материаловедов. Наряду с известными учеными в исследовании супрамолекулярных систем участвуют аспиранты и студенты ведущих университетов Казани, что обеспечивает преемственность поколений, неразрывную цепочку «учитель — ученик». В результате сегодня сформировалась Казанская школа супрамолекулярной химии, которая признана как у нас в стране, так и за рубежом. В частности, высокая оценка исследованиям наших ученых дана основателем супрамолекулярной химии, нобелевским лауреатом Жан-Мари Леном. Он писал: «Россия — страна великих традиций в химии, и Казань играет в этом особую историческую роль. Это вновь показано успешным вхождением российских химиков в супрамолекулярную химию».
Олег СИНЯШИН,
председатель Казанского научного центра Российской академии наук, академик