Про цікаву науку, що надзвичайно динамічно розвивається, – хімію – та свої дослідницькі здобутки і плани в ексклюзивному інтерв’ю Пресслужбі НАН України розповіла старший науковий співробітник відділу пористих речовин та матеріалів Інституту фізичної хімії імені Л.В. Писаржевського НАН України доктор хімічних наук Наталія Щербань.
 Доктор хімічних наук Наталія Щербань (фото: JetSetter.com) |
– Пані Наталіє, якими дослідженнями Ви зараз займаєтеся? Чому вони важливі й актуальні?
– У відділі ми займаємося конструюванням, створенням наноструктур, пористих матеріалів різної будови із наперед заданими властивостями. Такі дослідження в Інституті фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України розпочав іще професор В.Г. Ільїн – мій учитель і наставник. Володимир Георгійович був дуже талановитою та багатогранною особистістю, і я дуже вдячна йому, передусім за те, що повірив у мене. Можу сказати, що в цій галузі Інститут є лідером на пострадянському просторі, а можливо, і в Східній Європі. Моя робота передбачає розроблення пористих матеріалів різної природи, дослідження їхніх фізико-хімічних властивостей, а також пошук галузей їх практичного застосування, зокрема в адсорбції, каталізі, фотокаталізі тощо. Принципова важливість цих досліджень полягає у можливості отримання пористих матеріалів не будь-яких, а з визначеними, регульованими будовою (а саме – заданої геометрії та пористості, тобто розміру й об’єму пор) і функціональними властивостями (завдяки наявності, серед іншого, активних центрів певного типу, розміщення, концентрації). До речі, площа поверхні, яку створюють такі пори, може сягати дуже значних величин – до 1500 м2 на 1 г речовини (!). Усі згадані параметри мають значення для подальшого застосування нових пористих матеріалів у сучасній хімічній і фармацевтичній промисловості, зокрема для проведення каталітичних процесів і одержання тих чи інших цінних речовин, у тому числі за участю цеолітів. Ми також шукаємо нові каталізатори, які відповідають цілям сталого розвитку, а саме – забезпечують зменшення кількості відходів і дозволяють уникнути забруднення металами. За цим напрямом я займаюся, серед іншого, створенням безметалевих каталізаторів які так само, як і металовмісні матеріали, здатні каталізувати певні процеси.
– Розкажіть, будь ласка, про найважливіші результати своїх досліджень за останній час. Чи є серед них перспективні для практичного застосування? І чи співпрацюєте Ви з фахівцями, які могли би ці результати впровадити?
– В останній рік ми працюємо за грантом НАН України для молодіжних дослідницьких лабораторій і груп – керую однією з таких лабораторій, сформованій в Інституті фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України. Зараз ми створюємо високоактивні нанорозмірні та нанокомпозитні каталізатори нового покоління для переробки біосировини. Ці дослідження мають практичну цінність. Адже нині активно вивчається заміна невідновлюваних паливних ресурсів – таких, як нафта, природний газ, вугілля – відновлювальною біомасою. Це важливо для виробництва продуктів із високою доданою вартістю, а саме – біопалив, біопластиків та інших. А оскільки світові запаси нафти стрімко скорочуються, то розроблення каталізаторів для виробництва промислово важливих речовин із використанням сировини ненафтового походження – непродовольчої біомаси (залишків рослин, целюлози) – є одним із перспективних наукових напрямів. У рамках проєкту за згаданим академічним грантом ми займаємося саме створенням каталізаторів для переробки такої біосировини.
Торік ми з колегами виграли також грант Національного фонду досліджень України, за яким працюємо над створенням високоактивних нанорозмірних цеолітовмісних каталізаторів і розроблюємо відповідні екологічно безпечні однореакторні каталітичні процеси переробки біосировини у цінні органічні сполуки. Тут завдання полягає в тому, аби, по-перше, створити такі каталізатори – нанорозмірні та цеолітвмісні, – які би характеризувалися підвищеною доступністю як пор, так і активних центрів для об’ємних молекул реагентів, що само по собі є нетривіальним завданням, – а, по-друге, розробити саме екологічно безпечні каталітичні процеси завдяки зменшенню використання шкідливих розчинників. Ми намагаємося створювати каталізатори, здатні забезпечувати дво- чи тристадійний процес в одному реакторі (це так звані однореакторні каталітичні процеси) і, в такий спосіб, значно зменшити кількість відходів. Для цього використовуємо відновлювану сировину, зокрема такі матеріали, як фурфурол чи спирти, що утворюються з рослинної сировини в результаті бродіння. У цьому й полягає екологічність. Використання цеолітвмісних каталізаторів власної конструкції дає нам змогу отримувати певні цінні органічні сполуки. Найчастіше – для фармацевтичних застосувань, але також і для отримання біопалив. Скажімо, раніше саме завдяки таким цеолітвмісним каталізаторам ми вже продемонстрували принципову можливість різних процесів. Наприклад, синтезу компонентів лікарських препаратів, зокрема з антимікробною, протипухлинною, протизапальною активністю. Завдяки цим матеріалам можна також одержувати складники харчових ароматів та парфумних основ і багато іншого.
 Доктор хімічних наук Наталія Щербань у лабораторії Інституту фізичної хімії ім. Л.В.Писаржевського НАН України (фото люб’язно надала Наталія Щербань) |
Звісно, ми намагаємося співпрацювати з компаніями (зокрема хімічними), які мають стосунок до практичного використання наших розробок. Останнім часом наш відділ виконував господарські договори з такими відомими в Україні науково-виробничими підприємствами, як «Єнамін», «Укроргсинтез» та «І.Ф. ЛАБ», – цілеспрямовано розробляли для них каталізатори. Обидві сторони дуже задоволені результатами співпраці. Ми відкриті до співпраці й з іншими партнерами. На мою думку, створення основ для конструювання каталізаторів і адсорбентів із заданими властивостями – наш сильний бік як учених, адже ми працюємо одночасно і на розвиток науки, і для практичної користі.
– Наскільки розробленими є ці напрями досліджень у світі? Як Ваші наукові результати виглядають у світовому науковому контексті? І з ким з іноземних колег співпрацюєте?
– Звичайно, у світі активно займаються створенням каталізаторів для переробки відновлюваної сировини, зокрема каталізаторів на основі цеолітів, різних безметалевих каталізаторів. Це зараз дуже актуально й обумовлено екологічністю таких матеріалів. Ми з колегами з Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України намагаємося працювати на рівні кращих наукових колективів, стараємося постійно створювати щось своє. Я, наприклад, визначаю процеси, в яких безметалеві каталізатори можуть діяти не менш ефективно, ніж металовмісні каталізатори, зокрема, ті, до складу яких входять благородні метали. Велику частину таких досліджень ми проводимо у відділі, використовуючи інститутське наукове обладнання.
Про доволі високий рівень наших досліджень свідчать передусім наші публікації у хороших закордонних журналах з високим імпакт-фактором та інтерес до цих публікацій, який знаходить своє продовження у співпраці з іноземними колегами. На цей момент найактивніше співпрацюємо з фінським університетом «Åbo Akademi», що у Турку – з науковою групою дуже відомого вченого в галузі каталізу професора Дмитра Мурзіна. Ми вже успішно опублікували низку спільних наукових статей. Я двічі по три місяці стажувалась у цьому університеті. Зараз взаємодіємо дистанційно. Тривале і плідне співробітництво підтримуємо з Карловим університетом у Чеській Республіці, а саме – з дослідницькою групою під керівництвом професора Їржі Чейки. Це теж дає нам змогу проводити дослідження високого рівня. Разом із зарубіжними колегами ми, зокрема, вивчаємо каталітичні властивості синтезованих матеріалів у різних екологічних, навіть екзотичних каталітичних реакціях, спрямованих, серед іншого, на одержання речовин, які є потенційними активними фармацевтичними інгредієнтами. Міжнародна співпраця відкриває хороші можливості для вивчення наших зразків – методами електронної мікроскопії та іншими методами – у провідних європейських лабораторіях (в Естонії, Фінляндії, Франції, Чехії).
– У лютому цього року Вас можна було послухати на онлайн-заході до Міжнародного дня жінок і дівчат у науці. Наскільки активно Ви займаєтеся просвітницькою діяльністю? Яких тем зазвичай торкаєтеся?
– Так, це була відкрита
онлайн-конференція «Українки в науці, яким аплодує світ», дуже тепла, приємна і цікава. Її ініціювали й організували компанія «L’Oréal Україна» та Центр «Розвиток корпоративної соціальної відповідальності». Цей захід – один із хороших прикладів популяризації науки серед дітей. На роль спікерок організатори запросили переможниць національної премії L’Oréal–ЮНЕСКО «Для жінок у науці»
(я отримала цю нагороду 2018 року), а до участі – школярок із різних куточків України. Спочатку ми з колегами розповідали про свої дослідження, а потім відповідали на запитання цих дівчаток. Приємно, що дітям було цікаво спілкуватися з нами. Я завжди радо погоджуюся на участь у таких подіях, адже це чудова нагода розповісти про свій фах. Можливо, хтось справді відкриє для себе науку, зокрема хімію, зацікавиться нею.
 Слайди з презентації до доповіді доктора хімічних наук Наталії Щербань на онлайн-конференції «Українки в науці, яким аплодує світ» (ілюстрації люб’язно надала Наталія Щербань) |
У моєму випадку до популяризації, напевно, слід зарахувати ще й роботу зі студентами. Я читала ознайомчі лекції в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», щоб заохотити здібну молодь вступати до аспірантури нашого Інституту, а також була співкерівником низки дипломних робіт. Під моїм керівництвом проходили практику студенти Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Національного авіаційного університету й інших.
Активніше займатися популяризацією науки, на жаль, немає змоги – я зайнята експериментами й більшість свого часу проводжу в лабораторії. Але коли випадає нагода, намагаюся говорити про науку із широким загалом, бо це справді важливо.
 Наталія Щербань на першій урочистій церемонії нагородження українською премією L’Oréal–ЮНЕСКО «Для жінок у науці» (Київ, 30 листопада 2018 року). Фото: L’Oréal Україна |
– З якими навколохімічними забобонами, міфами, упередженнями Ви стикались як учена і популяризаторка? Яка неправда про хімію найчастіше зустрічається у повсякденному житті та як її можна спростувати?
– Мабуть, найбільша неправда і прикрість, коли про щось говорять: «Це погано, бо це ж «хімія»!». Хімія – це не погано. Люди забувають, що хімія – в усьому навколо нас, бо все складається з хімічних речовин, у довкіллі і в живих організмах постійно відбуваються хімічні реакції. Крім того, завдяки хімії створено багато лікарських препаратів, які рятують життя і зберігають здоров’я людей: до складу ліків входять ті чи інші хімічні речовини, які діють у потрібний спосіб, певним чином впливаючи на живі клітини та викликаючи відповідні процеси в організмі. Без хімії ми не могли би жити.
– А що особисто Вас спонукало обрати хімію своїм фахом?
– Хімія подобалася мені ще у школі. Багато й поглиблено нею займалася, розв’язувала більше задач, ніж вимагалося за шкільною програмою, бо вчителька взялася готувати мене до олімпіад із хімії. Але десь до 11-го класу не збиралася пов’язувати з хімією своє подальше життя – вподобання змінювалися швидко, хотілося то одного, то іншого. Та, зрештою, зрозуміла, що саме цей предмет знаю найкраще, тож вступила на хімічний факультет Черкаського національного університету імені Богдана Хмельницького. Навчатися було цікаво, магістратуру закінчила з відзнакою і вступила до аспірантури Інституту фізичної хімії імені Л.В. Писаржевського НАН України, де мені вповні відкрилася вся краса хімічної науки. У мене був дуже хороший науковий керівник – доктор хімічних наук, професор Володимир Георгійович Ільїн, який, на жаль, уже кілька років не з нами. Він погодився взяти мене до себе в аспірантуру, бо, за його словами, у мене «горіли очі». Це надихало працювати наполегливо, якісно, творчо. Аспірантуру закінчила успішно, кандидатську дисертацію захистила вчасно і залишилася працювати в Інституті.
…Чому хімія? Люблю її за те, що вона дає змогу постійно створювати щось нове і корисне. Коли нам вдається одержати матеріал або речовину із властивостями, які перевершують аналоги та дозволяють значно краще провести якийсь процес, це приносить радість і задоволення, мотивує далі шукати і знаходити, вдосконалювати свої результати. Робота – моє джерело ендорфінів. Те, чим займаюся, дуже цікаве і захопливе.
– У науці постійно виникають нові ідеї, нові напрями. Якщо не секрет, чи придивляєтеся Ви до якихось нових тем і чим хотіли би займатись у найближчому майбутньому? Поділіться, будь ласка, планами.
– Наразі концентруюся здебільшого на тому, що вже розвиваю впродовж більш-менш тривалого часу. Адже розроблення цеолітвмісних каталізаторів для переробки відновлюваної сировини та конструювання безметалевих каталізаторів – це, власне, теж доволі нові напрями досліджень. Тут іще дуже велике поле діяльності, на якому я реалізувала далеко не всі свої ідеї. Звісно, часто стається так, що, працюючи над чимось одним, ми паралельно знаходимо щось інше. Як і будь-яка творча діяльність, хімія цікава своєю непередбачуваністю.
Кардинально змінювати науковий напрям поки що не планую. Є цікаві ідеї та напрацювання, зокрема і з суміжних тем, але зараз не можу їх озвучити, бо робота ще триває. Проблема тільки в тому, щоб на всі ці задуми вистачало часу.
* * *
Вибрані наукові публікації
1. N. D. Shcherban, O. A. Diyuk, V. A. Zazhigalov, D. Yu. Murzin.
Graphitic carbon nitride as a sustainable catalyst for selective ethanol oxidation //
ACS Sustain. Chem. Eng. – 2021. – V. 9. – P. 5128-5137.
2. M. Laluc, R. Barakov, P. Mäki-Arvela, N. Shcherban, D. Y. Murzin.
Catalytic activity of hierarchical beta zeolites in the Prins cyclization of (−)-isopulegol with acetone //
Appl. Catal. A Gen. – 2021. – V. 618. – P. 118131.
3. R. Savela, N. D. Shcherban, M. M. Melander, I. Bezverkhyy, I. L. Simakova, O. Långvik, E. Kholkina, T. Schindler, A. Krauβ, K. Honkala, D. Yu. Murzin, R. Leino
Chemoselective Heterogeneous Iridium Catalyzed Hydrogenation of Cinnamalaniline //
Catal. Sci. Technol. – 2021. – V. 11. – P. 1481-1496.
4. R. Barakov, N. Shcherban, P. Yaremov, I. Bezverkhyy, J. Čejka, M. Opanasenko.
Hierarchical Beta zeolites as catalysts in one-pot three-component cascade Prins–Friedel–Crafts reaction //
Green Chem. – 2020. – V. 22. – P. 6992-7002.
5. E. Kholkina, P. Mäki-Arvela, C. Lozachmeuer, R. Barakov, N. Shcherban, D. Yu. Murzin.
Prins cyclisation of (-)-isopulegol with benzaldehyde over ZSM-5 based micro-mesoporous catalysts for production of pharmaceuticals // Chinese J. Catal. – 2019. – V. 40. – P. 1713-1720.
6. N. D. Shcherban, R. Yu. Barakov, P. Mäki-Arvela, S. A. Sergiienko, I. Bezverkhyy, K. Eränen, D. Yu. Murzin.
Isomerization of α-pinene oxide over ZSM-5 based micro-mesoporous materials //
Appl. Catal. A Gen. – 2018. – V. 560. – P. 236-247.
7. N. D. Shcherban, P. Mäki-Arvela, A. Aho, S. A. Sergiienko, P. S. Yaremov, K. Eränen, D. Yu. Murzin.
Melamine-derived graphitic carbon nitride as a new effective metal-free catalyst for Knoevenagel condensation of benzaldehyde with ethylcyanoacetate //
Catal. Sci. Technol. – 2018. – V. 8. – P. 2928-2937.
8. N. D. Shcherban, S. M. Filonenko, R. Yu. Barakov, S. A. Sergiienko, K. Yu, I. Heinmaa, A. Ivaska, D. Yu. Murzin.
New insights in evaluation of acid sites in micro-mesoporous zeolite-like materials using potentiometric titration method //
Appl. Catal. A Gen. – 2017. – V. 543. – P. 34-42.
9. N.D. Shcherban.
Review on synthesis, structure, physical and chemical properties and functional characteristics of porous silicon carbide // J. Ind. Eng. Chem. – 2017. – V. 50. – P. 15-28.
10. E. V. Murzina, A. Tokarev, N. D. Shcherban, D. Yu. Murzin.
Arabinogalactan hydrolysis and hydrolytic hydrogenation using functionalized carbon materials //
Catal. Today. – 2015. – V. 257. – P. 169-176.
За інформацією Інституту фізичної хімії імені Л.В. Писаржевського НАН України
та Пресслужби НАН України