От вкуса продуктов до жидких зеркал для телескопов: ученый Евгений Смирнов ― о коллоидной химии и возможностях, которые она открывает

— Расскажите, пожалуйста, что входит в сферу ваших научных интересов?

— Я занимаюсь физической, коллоидной и электрохимией, а также немного биотехнологиями, так как в них сегодня не обойтись без коллоидной химии. Большинство моих работ связаны с процессами самосборки на границе раздела жидкость-жидкость или жидкость-воздух. Коллоид — это твердые наночастицы, взвешенные в жидкости. По сути, к нему относится очень многое из того, что нас окружает. Простой пример — молоко, в котором вода, жир и белок перемешаны таким образом, что мы воспринимаем молоко как однородную жидкость. А вообще, по образованию я материаловед и часть моей научной работы и не только научной была посвящена химии новых материалов. Когда-то я работал в двух стартапах: создавал материалы на основе диоксида титана для солнечных батарей и материалы для 3D-печати домов.

— До ИТМО вы около десяти лет проработали за рубежом ― в Германии, Швейцарии, Китае. Что дал вам этот опыт?

— В большей степени меня как ученого сформировал опыт работы в Швейцарии, где за семь лет я защитил PhD, поработал постдоком в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL), а также успел поучаствовать в стартапе. Конечно, меня поразили высокие стандарты организации лабораторий и работы в них: чистые столы, просторные аудитории, доступ к любому оборудованию. Также в EPFL принята организация пространства «по постам»: стоит установка, рядом с ней компьютер, столик для подготовки образцов. Похожую систему мы будем внедрять и в ИТМО в нашей новой лаборатории.

Когда в 2017 году я заканчивал PhD и мне нужно было решать, ехать ли куда-то дальше или оставаться, я смотрел и в сторону российских вузов, в том числе на ИТМО. Примерно в это же время я стал общаться с Екатериной Скорб, которая когда-то работала у нашего общего знакомого профессора Гельмута Мёвальда. Чуть позже Екатерина предложила подать заявку на программу ITMO Fellowship, чтобы попробовать свои силы.

В сентябре 2021 года я уехал в Китай, где пару лет назад был открыт совместный университет МГУ-ППИ в Шэньчжэне. Меня пригласили поработать с китайскими студентами в сфере наук о материалах: читать лекции, проводить практические работы и готовить студентов к выпускным работам. Всего доверили семь бакалавров, с которыми мы выполняли дипломные работы. Этот опыт помог мне постигнуть «дзен» и улучшить навыки коммуникации, которые важны в работе с китайскими студентами — их уровень подготовки немного отличается от уровня студентов того же МГУ. К тому же преподавание велось на русском языке, который сложен для иностранцев. Моя работа в Китае стала прологом к тому, чем я занимаюсь сегодня на Fellowship в ИТМО.

— Расскажите подробнее о своих научных исследованиях в ИТМО.

― В рамках программы ITMO Fellowship я занимаюсь проектом по коллоидной химии. Моя научная группа называется «Хемотроника и интерфейсы». Само название напрямую отражает то, что мы делаем: интерфейсы — это границы раздела двух систем, а хемотроника — это дисциплина, которая изучает электрохимические процессы, протекающие на границе электрод-электролит под воздействием электрического тока, а также создание различных устройств в этой области. Можно провести аналогию с электроникой: хемотроника — это электроника, только за счёт различных молекул (хемо-), способных к окислению и восстановлению. Одно из распространённых хемотронных устройств — суперконденсатор (или ионистор) — источник энергии, без которого не поедет ни одна электромашина и не заработает ни один мощный электродвигатель. Простой пример — электромобили Tesla, в которых есть батарейка и ионисторы: они очень быстро забирают энергию и отдают ее электромотору и колесам.

Другой пример хемотроники — мемристор. Это электрический элемент, способный изменять свое сопротивление в зависимости от протекшего через него электрического заряда. Мы можем тренировать такие мемристоры, как физический искусственный нейрон, что позволяет реализовать нейронную сеть без использования программных подходов. Сейчас дорабатываем статью по этой теме.

С сентября 2022 года при поддержке РНФ мы проводим исследование на тему «Самосборка наночастиц золота и серебра на границе жидкость-жидкость как платформа для метода гигантского комбинационного рассеяния». В проекте мы получаем тонкие пленки из упорядоченных наночастиц, которые затем сможем переносить на различные поверхности и использовать для получения различных функциональных свойств. В частности, золотые наночастицы можно будет использовать для модификации различных подложек, создания оптических фильтров и жидких зеркал, которые используются в том числе и в астрономии. 

― Звучит фантастически. Можете, пожалуйста, привести пример, как это можно применить на практике?

― Когда меня спрашивают, как можно применить мои исследования, я вспоминаю канадского ученого Эрманно Борру, который мечтал разместить на поверхности Луны жидкое зеркало из наночастиц. В 2007 году это была довольно смелая альтернатива телескопам «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», о которой написали в Nature. Сегодня, чтобы сделать одно зеркало для телескопа «Джеймс Уэбб», надо 3,5 года полировать его, затем собрать и доставить на орбиту. При этом средняя шероховатость зеркал «Джеймса Уэбба» — 10–15 нанометров, что позволяет ему хорошо «видеть» далекие галактики. У Боpра был другой подход — он предложил не закидывать на орбиту стекло, покрытое золотом, а доставить туда специальную жидкость, на поверхности которой можно было бы разместить наночастицы. Раскрутив ее, за счет вращения можно получить правильную параболу — когда она замерзнет, получится идеальный телескоп. Согласно расчетам Борра, это было бы примерно в два-три раза дешевле, чем запуск «Джеймса Уэбба».

― Но это далеко не всё?

― Да, другое направление наших исследований касается MXene (слоистый карбид титана) — двумерного материала, который тоже можно собирать на границе раздела жидкостей, получать из него тонкие пленки и использовать их в качестве сенсоров и датчиков — на влажность, газы и другие вещества, а также изготавливать миниатюрные датчики касаний.

Также мы экспериментируем с графеном, который в последние годы стал очень популярен, но из него не так просто получить пленку. Чтобы ее сделать, обычно используют стандартный метод вакуумной фильтрации, когда раствор пропускают через фильтр с очень маленькими порами и пленка остается на фильтре: листы материала накладывают друг на друга и получают не совсем графен, а что-то графеноподобное — материал, состоящий из листов графена. Тогда как на границе раздела жидкостей мы можем собирать эти пленки, не накладывая отдельные листы графена друг на друга, а прислоняя встык друг к другу. Когда мы получим такие пленки и научимся их переносить с интерфейса жидкость-жидкость хотя бы на кремний, то сможем делать сенсоры, микроэлектронные приборы, хемотронные устройства, в том числе мемристоры и другие.

— Какие результаты вы планируете получить по итогам участия в программе ITMO Fellowship?

— Надеюсь, мы сможем создать универсальную систему, которая подходит не только для золотых частиц, MXene или графена, но и для сборки других материалов. Эту систему мы хотели бы запатентовать, сделать спин-офф, чтобы она работала как минимум на самоокупаемость — например, предоставляя сервис ученым, которым нужно получить пленку из упорядоченных наночастиц какого-либо вещества.

С другой стороны, мы хотели бы развиваться в направлении биотеха и коллоидных систем, к которым относятся многие пищевые продукты: смузи, сметана, кефир и другие. Мы хотим разработать новые подходы для пищевой индустрии. Например, за счет знаний коллоидной химии мы можем замаскировать вкус, повысить выход какого-либо продукта (например, растительного белка) из исходного сырья, изменить локально pH и другие характеристики, чтобы улучшить продукт.

В последние годы наблюдается тренд на растительный белок как основу рациона будущего, ведь вырастить сою, горох и подсолнечник гораздо дешевле и экологичнее, чем, например, корову. Но с производством растительного белка есть ряд трудностей, одна из них — загрязнение веществами, которые негативно влияют на вкус и цвет конечного продукта. Например, в случае гороха — это сапонины, танины, фенолы, полифенолы и другие соединения. Один из проектов, в которых я участвую, как раз посвящен маскировке таких вкусов при помощи коллоидной химии и химии интерфейсов. Это позволит добавлять белок в самые разные продукты и получить вкусный и питательный продукт, скорректировать его БЖУ. Мы планируем сделать капсулы, которые помогут «спрятать» белок и доставить его в желудок — потребитель получит свою порцию белка, при этом его вкусовые рецепторы не будут страдать.

В целом получается, что наши исследования могут помочь создавать и жидкие зеркала для телескопов, и усовершенствовать рецептуру продуктов. Это возможно благодаря тому, что мы работаем с коллоидной химией и химией поверхностей, границ раздела фаз. Надеемся, что в будущем мы сможем моделировать, как будут себя вести различные коллоидные системы.

— Недавно на базе Научно-образовательного центра инфохимии ИТМО открылась новая лаборатория. И во многом в ее работе будет делаться акцент именно на студентов. Что они смогут там делать?

— Сейчас я преподаю физическую химию в ИТМО, и на занятиях мы пробуем разные форматы. Один из вариантов, который мы хотим развивать — обучать студентов на практике, давая им выполнять лабораторные работы, практиковаться. Также мы планируем работать в этой лаборатории совместно с факультетом биотехнологий. Надеюсь, что у большинства моих студентов к концу года будет научная статья, которую они подадут в качестве своей дипломной работы.

Прочитайте также:

В ИТМО открылась новая лаборатория. Здесь будут развивать технологии для сенсоров нового поколения

Ученые ИТМО стали победителями первого конкурса прорывных научных проектов Blue Sky Research

— Вы упомянули о преподавании. А как относитесь к популяризации науки? Ведь в каком-то смысле это тоже обучение ― только объяснять сложные явления иногда нужно совсем не подготовленной аудитории.

— Есть два вида популяризации науки. Первый — это когда мы опускаемся до уровня обывателя и на самом примитивном уровне о чем-то ему рассказываем. Так, наверное, делают 80% популяризаторов. Вероятно, это хорошо, правильно и собирает большую аудиторию. Но есть и другой путь — подтягивать аудиторию до своего уровня. Многие идут по первому пути, максимально упрощая и не стараясь в каких-то аспектах приподнять человека над обсуждаемой проблемой. Иногда это может навредить, так как люди довольствуются поверхностным знанием и начинают считать себя экспертами в тех или иных темах. Например, мы наблюдали это в пандемию, когда в социальных сетях каждый второй стал экспертом в области вирусологии — такой эффект Даннинга-Крюгера в масштабах планеты.

Я стараюсь выбирать второй путь. Популяризировать науку надо так, чтобы неподготовленный человек не просто умел оперировать какими-то терминами, а чтобы у него возникало желание идти дальше и изучать тему.

— Но ведь некоторых это наоборот может оттолкнуть: они подумают, что всё слишком сложно, и не захотят разбираться.

— Жизнь в целом ― сложная штука. И если постоянно выбирать какие-то пути наименьшего сопротивления и не бросать себе вызов, то ничему новому не научишься. Мне нравится в этом отношении проект TED — после его выступлений хочется пойти и что-то погуглить, изучить и попробовать новое.

— В собственной жизни вы сами тоже, получается, не искали легких путей?

— Я учился в СУНЦ МГУ — это школа-интернат при МГУ и отдельный факультет. По старым правилам поступления, до ЕГЭ, по окончании школы мы могли получить рекомендации к зачислению на профильный факультет МГУ, и у меня был выбор: химфак или факультет наук о материалах. Я представил, что почти все мои одноклассники пойдут на химфак, и мне это показалось неинтересным. К тому же обещали сложную и интересную программу обучения на факультете наук о материалах — туда я и пошел. В 2011 году закончил МГУ с отличием и поступил в аспирантуру, но уже через год задумался о переезде по ряду причин — в результате родилась идея поехать в Швейцарию. В 2019 уже вернулся в Россию, начал работать в стартапе, параллельно работая в МГУ. Затем наступила пандемия, и в середине 2021-го мне предложили поехать в Китай. Я подумал: «Pourquia pas?» (с французского: «Почему бы и нет?»). И после всех этих поездок я пошел на Fellowship — снова новое и необычное, ведь ИТМО чуть ли не единственный вуз в России, который реализует такую программу. Наверное, можно сказать, что это такая жизненная позиция — люблю попадать в интересные и непростые ситуации.

— А чем занимаетесь в свободное время?

— Всем понемногу. Зимой катаюсь на горных лыжах, весной и осенью хожу на фитнес, летом стараюсь путешествовать. Периодически что-то печатаю на 3D-принтере — помню, в 2021 году напечатал Лахта-центр — наверное, это был знак. Недавно заинтересовался реставрацией старых видео — эта тема удачно легла на курс по научно-популярной журналистике в ИТМО. Также я люблю путешествия — не all inclusive, а сесть в машину и поехать в свободном направлении, так я объездил пол-Европы. Один раз мы решили съездить на юг России, полежать на пляже, но случайно попали в тур по винодельням и виноградникам. А недавно я узнал, что Курчатовский институт привез экспозицию русского вина на Конгресс молодых ученых — они с помощью больших данных занимаются селекцией сортов, помогают повысить урожайность, а с помощью методов биотехнологий защищают растения от вредителей. Получается, опередил этот тренд на два года.