Ученый из Пакистана Мухаммед Али Аббаси — о работе в Петербурге и разработке новых двумерных наноматериалов для очистки сточных вод

— Расскажите, пожалуйста, чем вы занимаетесь в ИТМО?

— Я работаю в лаборатории «Гибридные наноструктуры для биомедицины» Международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО. Проект, которым я занимаюсь в университете, связан с синтезом наноматериалов, которые помогут бороться с загрязнением окружающей среды и производить энергию. В частности я разрабатываю материал, который будет с помощью фотокатализа конвертировать солнечную энергию в химическую реакцию. Последняя пригодится для фоторазложения — процесса очистки воды от органических загрязняющих веществ, например фармацевтических препаратов, кремов и других средств личной гигиены.

Я родом из Пакистана, в прошлом году получил PhD, причем одну часть исследований проводил там, а другую — в Дармштадтском техническом университете и Центре по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца в рамках Германской службы академических обменов (DAAD). После защиты стал искать программу для постдоков ― рассматривал несколько вариантов, например, была возможность поехать в Италию, но я выбрал Россию.

— Почему?

— Мне нравится богатая русская история и культура. Я немного читал о некоторых важных исторических событиях, которые особенно касаются Петербурга, и, конечно, меня очаровала восхитительная архитектура города. Например, знаю, что Петр Великий отвоевал эту землю у шведов, основал здесь город и перенес столицу из Москвы. К слову, по архитектурному стилю Петербург больше похож не на русский, а на европейский город со смесью итальянского, французского и английского стилей.

А еще русский язык немного похож на мой родной. Я говорю на урду, это достаточно распространенный язык в Пакистане и регионе с континентальным климатом. И вот по опыту могу отметить, что изучать русский язык на урду легче, чем на английском. Например, в английском языке местоимение 'you' применяется ко всем и не делится по степеням уважения. В урду, как и в русском, есть несколько видов местоимения «ты» и «вы» для разных обращений. А еще у нас тоже есть разделение слов на женский и мужской род.

В целом из Пакистана довольно часто уезжают на работу в США, Великобританию и англоязычные страны, но другие направления ― и в том числе Россию ― выбирают немногие. Для меня это послужило дополнительным мотиватором ― я хотел отправиться в новый мир, исследовать его и рассказать на родине, какова Россия и ее жители.

— Вы уже полгода работаете в Петербурге. Как вам? Быстро удалось адаптироваться ― например, к погоде?

— Каким вы представляете себе Пакистан? Наверно, что это солнечная страна с очень жарким климатом. На самом деле всё не совсем так. Например, лично я из города Мурее, он находится на севере страны, в часе езды от столицы Пакистана ― Исламабада. Мурее располагается в горах, там много холмов и сосновых лесов ― прямо как в немецком регионе Шварцвальд и на лугах Швейцарии ― и у нас тоже бывает много снега. Температура зимой может опускаться до минус 10°C — почти как в Петербурге. Возможно, благодаря этому мне удалось адаптироваться достаточно быстро. А еще в Петербурге очень вежливые, радушные люди, они хорошо относятся к иностранцам. Общаясь с местными, я не чувствую себя чужим.

Что касается ИТМО ― еще до приезда в Петербург у меня сложилось хорошее впечатление об университете: я впервые узнал о нем из интернета. У сайта университета был очень удобный интерфейс, и там с помощью поиска я нашел подходящую моему исследовательскому опыту и интересам научную группу. Написал сотрудникам ИТМО на почту и довольно быстро получил ответ. Так и узнал о профессиональной и хорошо организованной команде программы ITMO Fellowship.

А уже приехав, убедился, что всё так и есть. Здесь работают профессионалы ― например, пообщавшись с сотрудниками международного офиса, могу отметить, что такого уровня профессиональной этики я не встречал ни в Италии, ни в Германии. Я знаю, что в любой момент могу обратиться с вопросом по любой теме и получу понятный ответ. А часть вопросов решили еще до моего приезда. Сотрудники университета сняли квартиру, а член группы встретил после прилета и проводил меня до дома.

— Вы упоминали, что в рамках программы ITMO Fellowship занимаетесь проектом, связанным с загрязнением воды. Можете рассказать подробнее?

— Обычно люди делят воду на чистую и загрязненную. Но с точки зрения науки грязная вода может быть грязной по-разному. Всё зависит от вида загрязняющего вещества, которое в нее попадает. Таких видов немало ― могут быть органические вещества, неорганические, бактериальные и многие другие. Но даже в этом классическом разделении появляются всё новые виды.

Мы пользуемся разными средствами личной гигиены и лекарствами ― например, солнцезащитными кремами, лосьонами, косметикой, а также принимаем обезболивающие препараты. Но после выведения из организма лекарства не испаряются, а попадают в сточные воды. Да, вода проходит несколько этапов очистки, но в ней все равно могут оставаться следы медикаментов и косметических средств. Это плохо, поскольку такие загрязнения могут стать причиной развития злокачественной опухоли, аллергии или другой токсической реакции у людей и водных обитателей, а еще мутаций у сельскохозяйственных растений, если загрязненная вода используется для полива.

По сравнению с другими загрязняющими веществами ― например нефтепродуктами или тяжелыми металлами вроде ртути ― концентрация лекарств и средств личной гигиены в сточных водах невелика, но это не делает такой вид загрязнения менее опасным. Обнаружить и затем очистить воду от таких веществ не так просто.

Сегодня есть два проверенных способа, как это сделать. Первый основан на измерении кислотности, мутности и калориметрии. Но такой метод не работает, если концентрация загрязняющих веществ очень низкая. К более передовым способам можно отнести спектроскопию или электрохимический анализ, но у них тоже есть ограничения. Дело в том, что загрязняющее вещество может изменяться. Например, в воде у него будет одна молекулярная структура, а под воздействием солнечного света — другая. Поэтому даже с помощью передовых методов обнаружить и устранить такие виды загрязнений можно не всегда.

— Какое решение предлагаете вы?

— Справиться с этой проблемой может гетерогенный фотокатализ. Суть этого процесса заключается в том, что под воздействием солнечного света на поверхности фотокаталитического материала вырабатываются активные формы кислорода. В свою очередь, они вступают в реакцию с загрязняющими веществами, расщепляют их на более мелкие нетоксичные молекулы и разлагают до более простых соединений. В итоге остается очищенная вода, которую можно использовать снова.

В качестве основы для фотокаталитического материала я выбрал двумерные карбиды металлов (2D MXene) и их композиты. Они были обнаружены в 2011 году и с тех пор зарекомендовали себя как одни из лучших и доступных фотокатализов. В сравнении с другими похожими материалами у 2D MXene улучшенная запрещенная зона и значительные свойства площади поверхности. Первая характеристика влияет на способность принимать как можно больше видимого солнечного света и конвертировать его в химическую энергию, необходимую для разложения загрязнителей. А вторая ― позволяет поглощать больше загрязняющих веществ и превращать их в минералы прямо на месте. Также 2D MXene — очень устойчивый материал, который можно использовать повторно.

— На каком этапе находится ваше исследование сейчас и как вы планируете его развивать?

— Я начал работать над проектом в сентябре прошлого года и пока остановился на первом этапе — синтезирую материал и изучаю его структурные и оптические свойства, которые могут влиять на фотокаталитическую активность. Далее я оптимизирую материал, пока не получу подходящие для разложения загрязнителей свойства и форму.

Если всё сложится удачно, перейду к следующему этапу исследования. Я планирую сосредоточиться на конкретном классе новых органических загрязняющих веществ — высококанцерогенных соединениях. К ним, например, относятся противораковые препараты. Пациент, проходящий химиотерапию, получает такой вид медикаментов, но после терапии остатки лекарств попадают в сточные воды. Я планирую собрать использованные противораковые препараты из больниц или сымитировать этот вид отходов, например, добавляя в воду некоторые смеси лекарств, чтобы в дальнейшем позволить фотокаталитических материалам разложить их с помощью фотокатализа. Параллельно я уделю внимание тяжелым металлам вроде ртути и мышьяка ― эти вещества используются в промышленности и, увы, также попадают в сточные воды.

В итоге у меня должна получиться фотокаталитическая мембрана, которую достаточно окунуть в воду, чтобы начать очистку. Это легко и удобно, ведь такие мембраны можно брать с собой куда угодно.

В перспективе на третий год исследования я хочу дополнить разработку еще одной функцией — производством водорода за счет расщепления воды. Предполагается, что фотокаталитический материал будет не только очищать воду, но и производить экологически чистую энергию — водородное топливо. Каким образом? Молекулы очищенной воды можно расщепить на один атом кислорода и два атома водорода. Но сейчас основная трудность заключается в том, что на расщепление воды тратится больше энергии, чем получается в итоге. Поэтому чтобы фотокаталитические мембраны стали полноценными производителями водородного топлива, еще предстоит придумать способ, как с их помощью создавать, а не тратить больше энергии. Как только это произойдет, свершится революция.

— А чем вы занимаетесь в свободное от исследований время?

— Обычно после работы три-четыре раза в неделю я хожу в спортзал. А еще общаюсь с людьми на английском в разговорном клубе ― там мне уже удалось найти новых друзей.

Летом и осенью я много гулял по разным историческим местам и паркам Петербурга и Ленинградской области и записывал видео для своего влога. Например, уже удалось побывать в Летнем, Зимнем и Михайловском дворцах, Петергофе, Петропавловской крепости, но особенно меня впечатлил Эрмитаж и его огромная коллекция, собранная из экспонатов со всего мира.

Петербург — красивый, очаровательный и очень оживленный город, который способен многое предложить. Здесь действительно много парков и музеев, за которым следят и ухаживают. Хоть я и смотрел несколько видеообзоров про город и знал, что это одно из прекраснейших мест в мире, когда приехал сюда и увидел всё вживую, был сильно впечатлен. Все-таки видео и реальная жизнь  — это разные вещи.