ПАВ, синхротроны и сельское хозяйство

Наталья Анатольевна, расскажите пожалуйста в чем отличие нейтронных исследований, которые вы применяли в своих экспериментах, от синхротронных? Могут ли синхротронные исследования как-либо помочь, дать ученым дополнительную информацию при проведении нейтронных исследований и наоборот?

Конечно, в материаловедении существуют комплексные задачи, где оба метода исследований применяются как взаимодополняющие.

Синхротронные исследования, для которых при поддержке национального проекта «Наука и университеты» создаются установки класса «мегасайенс» в России, основаны на рентгеновском излучении.

Его испускают заряженные релятивистские частицы при движении по круговой траектории в магнитном поле, в кольцевых ускорителях. Это излучение очень интенсивное и используется как инструмент для исследований в различных областях от биологии и медицины до сельского хозяйства и материаловедения.

В своей работе в качестве инструмента для исследования я использовала нейтронное излучение. Источником такого излучения является ядерный реактор. То есть в данном случае летят нейтроны (направленный пучок нейтронов), а само излучение генерируется не в синхротронных ускорителях, а в результате ядерной реакции в реакторе. Такой реактор находится в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, это импульсный ядерный реактор ИБР-2. Именно там я проводила исследования.

И синхротронное, и нейтронное излучения используют для исследований различных материалов на уровне атомов и молекул. При этом нейтронное излучение лучше проникает в вещество, что в некоторых задачах делает его более эффективным инструментом по сравнению с синхротронным.

Давайте поговорим подробнее о нейтронном излучении и об исследовании, которое вы проводили с его помощью. Расскажите, пожалуйста, какие научные задачи вам удалось решить? Какую пользу они принесли для жизни обычных людей?

Моя задача была связана с исследованием самоорганизации молекул кремнийорганических поверхностно-активных веществ (сокращённо ПАВ) на поверхности. Такие ПАВ применяют в сельском хозяйстве для повышения эффективности средств защиты растений, таких как пестициды, фунгициды и другие, стимуляторов роста и т.д. Добавление этого ПАВ в растворы действующего вещества, которые готовят на водной основе, значительно снижает поверхностное натяжение воды и улучшает смачиваемость листьев растений каплями спреев. То есть капелька спрея, попадая на лист, практически мгновенно по нему растекается, стремясь распределить действующее вещество по максимально большой площади. По быстроте эффекта такой ПАВ значительно превосходит другие ПАВы, производимые для нужд сельского хозяйства, в связи чем его чаще называют «суперсмачивателем». Он активно применятся в сельскохозяйственной отрасли по всему миру.

Долгое время считалось, что при обработке посевов вред природе наносят именно пестициды, так как по принципу действия они являются токсичными веществами, а различные присадки к растворам, типа ПАВ, не задумываясь относили к безопасным веществам. Однако оказалось, что это не так. Исследования последних лет установили, что именно этот тип ПАВ [тип «суперсмачивателей» — ред.] оказался виновен в массовой гибели пчел и других насекомых опылителей. Оказалось, что даже следовые концентрации такого «суперсмачивателя» в сиропе приводят к дисфункции хоботка пчелы и она не может полноценно питаться, у нее нарушается способность ориентироваться в пространстве и формировать рой. Кроме этого, следы данного ПАВ обнаруживали в ульях с погибшими личинками пчел. Такие результаты, разумеется, настораживают, поскольку этот ПАВ несет скрытую угрозу здоровью людей, накапливаясь продуктах.

Таким образом, возникала проблема: с одной стороны, данный ПАВ очень эффективен и его применение экономически выгодно, а с другой — оказался биологически опасным веществом. Вопрос изучения и понимания механизма его действия остро встал перед учеными для дальнейшей разработки стратегии и путей создания новых типов ПАВ, столь же эффективных, но при этом безопасных. Это достаточно активно исследуемая в тема и, можно сказать, новое направление в совершенствовании технологий сельского хозяйства. Гипотез, конечно же, высказывается много, и какая из них может быть истиной — предстоит узнать.

Вернувшись в Россию, я продолжила свои исследования. Но как изучить, как понять, что происходит на поверхности листа, когда капелька пестицидов вместе с ПАВ попадает на поверхность листа, как происходит адсорбция и почему начинается быстрое растекание?

Интерес к этой проблеме у меня появился во время выполнения постдокторских исследований в Университете Лафборо [г. Лафборо, графство Лестершир, Великобритания — ред.] в департаменте химической инженерии. Проект был связан с изучением механизмов «суперсмачивания», вызываемого некоторыми поверхностно-активными веществами. Мы использовали широкий спектр исследовательских инструментов и методов, например, эллипсометрию, спектроскопию, брюстеровскую, интерференционную и атомно-силовую микроскопии и другие методы, а также теоретические модели для описания механизмов адсорбции молекул ПАВ. На основе полученных результатов и результатов других исследователей я предположила, что эффект суперсмачивания проявляется при достижении условий фазового перехода, когда на поверхности появляются многослойные молекулярные структуры. Эти структуры выстилают гидрофобную поверхность и снижают тем самым трение на линии движения. Образно говоря, если мы создадим благоприятные условия, то любой другой ПАВ тоже станет суперсмачивателем или хотя бы повысит эффективность. На макро- и микроуровне эта гипотеза подтверждена, но что происходит на молекулярном уровне — осталось вопросом.

По завершении проекта я приняла решение вернуться домой и продолжить исследования в Тюменском государственном университете, собрав группу студентов и аспирантов, увлеченных наукой. Отмечу, что сегодня в нашей лаборатории реализуется несколько проектов области природовдохновленных и аддитивных технологий. А в рамках направления «биобезопасный мир» мы продолжаем исследования явления «суперсмачивания» и сопутствующих эффектов, начатые мной еще в Великобритании. Добавлю также, что у студентов нашего университета есть уникальная возможность разработать собственный природовдохновленный проект. В физико-техническом институте ТюмГУ есть образовательная траектория «Природовдохновленный инжиниринг» для бакалавров направлений «Физика» и «Техническая физика». Она включает в себя пять дисциплин: «Природовдохновленные материалы», «Технология и диагностика природовдохновленных наноматериалов», «Нейропроцессоры на основе обучаемых наноматериалов», «Моделирование природоподобных микро- и наносистем» и «Природовдохновленный инжиниринг». Реализация образовательной траектории запущена в рамках стратегического проекта в сфере природовдохновленного инжиниринга программы «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты» Минобрнауки России.

Возвращаясь к эффекту суперсмачивания. Прежде чем сделать следующий шаг по проверке гипотезы о структурных изменениях агрегатов в тонких адсорбированных слоях я проанализировала массу литературы и пришла к выводу, что метод нейтронной рефлектометрии является наиболее оптимальным и дающим надежды в данном вопросе для получения интересных результатов. До этого мне приходилось иметь дела с таким сложным и серьезным инструментом, но, тем не менее, я подала свой проект в Лабораторию нейтронной физики имени И.М.Франка (ЛНФ) Объединенного института ядерных исследований в Дубне, чтобы получить возможность поработать какое-то время на рефлектометре ГРЭИНС (с горизонтальной плоскостью образца) на импульсном реакторе ИБР-2.

Сегодня многие российские ученые сотрудничают с ОИЯИ в рамках своих научных исследований. Я также получила поддержку института.

Проект поддержали и сочли интересным для реализации с использованием данного оборудования. Были проведены исследования, опубликована статья в профильном журнале. К сожалению, у нас было не очень много времени: работа на реакторе была рассчитана на 10 дней, что оказалось недостаточно для решения всех имеющихся вопросов по теме. Мы провели исследование двух типов кремнийорганических ПАВ и сравненили с другими ПАВ, которые хорошо изучены и имеют такую же длину гидрофильной цепи. И мы действительно обнаружили, что при температуре фазового перехода наблюдается некая реорганизация молекул обоих типов на твердой гидрофобной поверхности. Это хорошо. Говоря, простым языком, мы отловили эффект, который точно наблюдался в районе температуры фазового перехода, что отражалось в виде пиков на кривых нейтронного рассеяния. Действительно есть определенный эффект, определенная перестройка — изменяется структура адсорбированных молекул: из монослоя, когда молекулы покрывают слой поверхности в одну молекулу, они начинают формировать многослойные ламинарные системы, и, возможно, снижают трение и позволяют быстро и легко скользить раствору по поверхности листа. Конечно, у нас есть дальнейшие планы детализировать и более подробно изучить, как изменяется толщина адсорбированного слоя на поверхности, определить плотность и особенности других, важных для исследования элементов. Впереди еще много работы.

Как в условиях современной социально-экономической обстановки данное исследование способствует импортозамещению? Используется ли оно уже в реальном секторе экономики?

Пока это первый шаг - уровень фундаментальных исследований, проверка гипотезы. Когда мы поймем механизм суперсмачивания на молекулярном уровне, так сказать процессы самоорганизации, то на его основе будут разработаны рекомендации, схемы для сборки безопасных ПАВ, при этом столь же эффективных в плане повышения характеристик «смачивания» и впитывания пестицидов в листья растений.

Сколько, на ваш взгляд, потребуется таких исследований, ступеней для получения конечного результата?

Обычно на исследовательский проект уходит от трех до пяти лет системной работы для получения необходимой динамики и создания необходимых рекомендаций.

И как раз по результату этой работы мы получим данные о том, какие именно вещества безвредно для растений и человека, верно?

Именно так. И для растений, для человека. Если вещество токсично, то токсично оно в первую очередь именно для человека. Как правило, растениям от этого вещества ничего не бывает, но живые организмы потенциально могли бы пострадать от его действия. Например, токсичное действие ПАВ на пчел о котором я говорила в начале нашей беседы.

По результатам исследования, получается, будет выведено новое вещество, которым можно будет безопасно опрыскивать различные растения без вреда для окружающей среды и для других организмов? На какой результат направлена ваша работа?

В результате этого исследования мы планируем понять механизм эффективности действия данного поверхностно-активного вещества и выработать рекомендации по созданию более безопасного, найти лучшие и максимально быстрые пути для этого.

Сейчас цель — изучить и понять механизм этого явления в целом, описать его и научиться моделировать на макроскопическом и молекулярном уровнях. И далее — создать программный комплекс для конструирования безопасных ПАВ с заданными свойствами, а также для прогнозирования действия этих веществ при их применении с учетом целого спектра входных условий, например, функция пестицида, препаративная форма, погодные условия применения, морфология листа растения и т.д. Это очень амбициозная цель, но ее достижение, то есть появление такого продукта, позволило оптимизировать процесс на всех этапах: от разработки препаратов до применения на полях. В этом случае не будет необходимости проводить длительные лабораторные исследования. И самое главное создавать безопасные и эффективные препараты.

Глобальная цель проекта — создание программного комплекса, который бы позволял исследователям (или, например, работникам агрохолдингов и даже фермерам) синтезировать специальные препараты для сельского хозяйства

Будет отлично, когда все это реализуется и по сформированным вами рекомендациям в ближайшем будущем будет изобретено и произведено новое, безвредное для растений и человека в первую очередь вещество. Возможно, это сделают опытные ученые, но также не исключено, что созданием нового поверхностно-активного вещества заинтересуются начинающие ученые, тем более учитывая тренд на заботу об окружающей среде и экологии. Сегодня к работе в лабораториях и над различными исследованиями часто привлекают молодых специалистов, которые только открывают свой путь в науке. Много ли молодежи работает с вами в рамках данного проекта?

В нашем университете уже второй год реализуется программа интернатуры. Студенты младших курсов имеют возможность выбрать исследовательские тематики в научных лабораториях, подать свои резюме и пройти внутренний конкурс, по итогам которого будут допущены к исследованиям. Соответственно, в свободное от учебы время они могут либо проводить собственные исследования, либо помогать в исследованиях старшим сотрудникам и коллегам — магистрам, аспирантам, — а также вникать в передовые исследования ученых и университета. Часто молодые специалисты предлагают даже свои идеи, лучшие из которых мы реализуем вместе с ними.

Сегодня в рамках проекта с нами по программе интернатуры работают шесть человек. Наши молодые сотрудники-студенты приходят в разное время, так как у всех разное расписание, но, тем не менее, ребята уже со второго курса обучения в вузе проявляют значительный интерес к науке и принимают активное участие в наших исследованиях. Конечно, обучение студентов требует времени, но это того стоит. Например, защитившиеся магистры и аспиранты, о которых я упоминала, так же когда-то пришли в лабораторию на втором-третьем курсе и прошли такой длинный путь от обычных студентов до молодых кандидатов наук. Также не менее важна и поддержка науки государством, потому что молодые люди видят, что у них есть возможность развития и перспективы в этой сфере. Это и финансовая, и инфраструктурная, и методическая, и даже информационная поддержка ученых, которая стала возможной, в частности, благодаря национальному проекту «Наука и университеты». Кроме того, мы в ТюмГУ работаем и по отдельным государственным заданиям.