Софья Морозова: Секрет гибкости
Софье Морозовой выпала редкая удача заниматься фундаментальной наукой и видеть, как ее открытия превращаются в технологии. Секрет такого быстрого внедрения теории в практику прост: Софья работает с полимерами, которые сегодня востребованы буквально повсюду. Вне стен лаборатории она много занимается спортом, а в качестве домашнего питомца предпочитает лошадь.
Чем вас привлекли полимеры?
Мои родители окончили физфак МГУ, я окончила физматшколу N0 1189 им. И. В. Курчатова. Поэтому изначально рассматривала для поступления физфак, мехмат и ВМК. Информатика отпала, потому что я не хотела всю жизнь сидеть за компьютером. Кто же тогда знал, что через 20 лет все исследования будут проводиться с использованием специализированных компьютерных программ для обработки? Математика мне нравилась больше, чем физика, но при этом казалась исключительно фундаментальной наукой. Неожиданно папа предложил пойти на химфак. На момент поступления я почти не знала химии. Мне помогли золотая медаль и победа в олимпиаде по математике, так что профильный экзамен сдавать не пришлось. Все пробелы я быстро восполнила уже во время учебы. На химфаке меня привлекли полимеры, поскольку они ближе всего к физике. Задачи здесь связаны скорее с межмолекулярным взаимодействием, чем с чистым синтезом. О своем выборе я ни разу не пожалела — полимеры повсюду. Даже человек состоит из макромолекул, так что мы сами являемся полимерами. Наука о полимерах позволяет выбрать любую область применения.
Ваши работы связаны со структурированием мягких материалов. Что это вообще такое и в каких областях мягкие материалы могут быть использованы?
Это класс материалов, которые по своей структуре занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. Такие «мармеладные мишки», кремы, гели, флюиды и эластичные пленки. Например, гели состоят из длинных цепочек макромолекул или наночастиц, которые связаны в трехмерную сетку, но внутри этой сетки удерживается большой объем жидкости. Эластичные пленки могут состоять из макромолекул разной природы, формирующих определенную последовательность, рисунок. В отличие от жестких пластиков они способны кардинально менять форму, в десятки раз растягиваться и восстанавливаться без разрушения.
Мягкие полимерные материалы помогают значительно повысить емкость аккумуляторов. Сейчас анод литий-ионной батареи в основном делают из графита, емкость этого материала ограничена. Если графит заменить кремнием, аккумуляторы станут в разы мощнее, но кремний от взаимодействия с ионами лития увеличивается в объеме на 300– 400 %, а при разрядке сжимается обратно не до конца. От таких нагрузок анод трескается, и батарейка становится негодной всего за несколько циклов. Мягкие полимерные материалы выполняют роль эластичной сетки. Они растягиваются, когда кремний разбухает, удерживают все частицы вместе, а затем аккуратно сжимаются. Сейчас мы добавляем к графиту всего 8 % кремния, но даже такой небольшой процент увеличивает емкость анода почти в два раза. У нас есть разработки, позволяющие работать с содержанием кремния до 50 %, такой анод обладает емкостью в пять-шесть раз больше графитового и увеличивает энергоемкость всего аккумулятора в 1,5 раза. Пока что мы находимся на стадии экспериментов по технологическому проекту Российского научного фонда (РНФ) и работаем над повышением воспроизводимости и стабильности результатов.
Из мягких полимерных материалов делают мембрану в водородных топливных элементах. Она разделяет катод и анод в топливном элементе. За счет структурирования разные компоненты мембраны, гидрофильный и гидрофобный, формируют проводящие каналы, обеспечивающие транспорт протонов и работу топливного элемента. Эластичная структура материала позволяет мембране плотно, без малейших зазоров соединяться с твердыми электродами и переносить постоянные перепады давления внутри работающего топливного элемента.
Есть биоприменение. Мы разрабатываем уникальные гели на основе природных полимеров, например целлюлозы. Тем же методом температурной обработки создаем сложную структуру, идентичную строению наших тканей. Человеческая кожа, печень и нервная ткань обладают специфическим механическим откликом: при небольшом давлении они мягко амортизируют и гасят стресс, а при сильной деформации мгновенно упрочняются. Традиционные синтетические полимеры вроде резины ведут себя линейно и при сильном натяжении просто рвутся. Отклик наших биоматериалов связан с их строением — они состоят из переплетенных волокон, фибрилл. Строение таких волокон немного похоже на плетенку птичьего гнезда или спутанный провод наушников. На основе целлюлозы мы создали гели, которые воспроизводят строение биоматериалов и их поведение.
Как их можно применять? Как заменитель кожи?
Нет, пока это фундаментальная работа, показывающая принципиальную возможность создания таких систем. Здесь есть несколько направлений. Можно использовать их как тестсистемы для изучения, как клетки ведут себя в средах с различной механической нелинейностью. Или для борьбы с раком. По последним данным, раковые клетки посылают особые сигналы здоровому окружению и меняют ориентацию белковых волокон. Таким образом они прокладывают себе «рельсы» для распространения метастазов. Используя наши разработки, можно создать гель, в котором волокна направлены специальным образом, чтобы обмануть опухоль.
Если говорить о практическом применении, мы разрабатываем источники питания для нейрохирургии. В рамках проекта, поддержанного РНФ и Газпромбанком, наша команда создает аккумуляторы для имплантируемых устройств, которые используются для очувствления конечностей в протезах и лечения травм спинного мозга.