Уникальная научная установка ИК СО РАН: возможности для масштабных исследований в области катализа, биологии и материаловедения

Институт катализа СО РАН продолжает модернизацию уникальной научной установки — станции EXAFS-спектроскопии — в рамках национального проекта «Наука и университеты». В планах ученых — максимально обновить приборную базу, чтобы достичь мирового уровня проводимых экспериментов. Участники проекта рассказали, какие возможности даст станция в областях катализа, материаловедения и структурной биологии.

EXAFS-спектроскопия (Extended X-ray Absorption Fine Structure — прим. ред.) — сравнительно новый метод исследования вещества, основанный на использовании синхротронного излучения. Он дает детальную информацию о строении сложных наноматериалов в любых агрегатных состояниях, даже с дефектами и неупорядоченной структурой.

Глубокая модернизация станции EXAFS-спектроскопии, уникальной научной установки (УНУ), включает в себя расширение и улучшение приборной базы. В проекте помимо Института катализа СО РАН участвуют Институт неорганической химии СО РАН и Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Участники планируют приобрести рентгеновский дифрактометр последнего поколения, который выведет исследования на станции на новый уровень.

«Прибор, который должен прийти в ближайшие месяцы, мы установим в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения на базе Института ядерной физики СО РАН. Использование нового дифрактометра на пучке синхротронного излучения позволит проводить рентгеноструктурный анализ монокристаллов, что открывает широкие возможности в сферах наших исследований: катализа, фундаментальной медицины, структурной биологии и химического материаловедения. Обновленную станцию впоследствии мы перенесем на строящийся Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) в 2025 году» — рассказывает научный координатор проекта, главный научный сотрудник отдела физико-химических методов исследования ИК СО РАН, доктор физико-математических наук Ян Зубавичус.

Новый прибор позволит на новом уровне реализовать порошковую дифракцию — анализ кристаллической структуры наноматериалов, в том числе их специфической дефектности. Чем меньше частицы и чем больше дефектность, тем выше их каталитическая активность. Наряду с этим ученые будут развивать подходы математического моделирования для извлечения более обширной структурной информации из получаемых экспериментальных данных.

Кроме обновления приборной базы и разработки плана исследований участники готовят конференцию по использованию синхротронного излучения для исследования катализаторов и функциональных материалов. Первая такая конференция успешно прошла в 2022 году. Специалисты по разным направлениям применения СИ смогут обменяться опытом и запланировать совместные проекты. Конференция пройдет в октябре 2023 года.

УНУ для материалов будущего

Институт неорганической химии СО РАН готовится к тому, чтобы использовать уникальные возможности синхротронного излучения, которые будут реализованы на станции СКИФ, для монокристального рентгеноструктурного анализа материалов будущего — металл-органических координационных полимеров (МОКП, metal-organic frameworks, MOF — прим. ред.). Эти материалы имеют регулярную кристаллическую структуру, в которой органические и неорганические строительные блоки располагаются как «солдаты в строю». Также МОКП имеют рекордно высокую пористость — это представляет интерес для исследователей, которые занимаются катализом и функциональными материалами. Применение МОКП позволит значительно снизить энергопотребление многих важных многотоннажных химических процессах.

«Металл-органические координационные полимеры, — это топовая тематика в мировом материаловедении, пусть пока и на фундаментальном уровне. Мы должны думать не только о материалах, которые используют сейчас, но и о новых уникальных материалах, которые понадобятся завтра. Одна из важнейших проблем, которая будет решена с использованием МОКП, — это разделение сложных смесей в химической промышленности. Известно, что в развитых экономиках более 15% всех энергетических затрат приходится именно на процессы разделения. Переход на процессы адсорбционного разделения позволит сэкономить колоссальное количество энергии и упростить многие процессы. Проблема, которую мы решаем с помощью УНУ, — это разделение смесей промышленно важных углеводородов на МОКП. В нашей работе, опубликованной в этом году в Chemical Engineering Journal, мы разработали метод разделения смесей метана, этана и пропана», — рассказывает главный научный сотрудник ИНХ СО РАН, член-корреспондент РАН Владимир Федин.

Использование ресурсов уникальной научной установки ученый сравнивает со 100-ваттной лампочкой, которая зажжется в темной комнате, освещаемой ранее одной спичкой. Рентгеновская дифракция позволяет получить принципиально новую, высоко детализированную картину строения МОКП и их соединений с гостевыми молекулами различной природы.

Новые возможности для структурной биологии

Институту химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН модернизация станции EXAFS-спектроскопии позволит исследовать структуру различных биологических молекул, важных для приложений медицины и биотехнологий.

«Мы работаем с разного рода белками, в структуре которых есть ионы металлов. Метод EXAFS помогает тщательно изучать электронную структуру ионов металлов и их локального окружения. Зная информацию об их структуре, мы будем лучше понимать, как работают жизненно важные белки и как можно влиять на них. Для многих белков есть базовые данные, определенные методом рентгеноструктурного анализа, но эти тонкие детали будут доступны только на УНУ», — рассказывает заведующий лабораторией геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН, член-корреспондент РАН Дмитрий Жарков.

Изучаемые в ИХБФМ СО РАН белки имеют критически важное значение для медицины. Они отвечают за копирование и поддержание генетической информации. Знания о них необходимы для борьбы с онкологическими заболеваниями, создания антибиотиков, противовоспалительных препаратов и антивирусных средств.