Уникальная научная установка Института катализа СО РАН 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) — 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 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 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.
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). 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. 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», — 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.
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», — рассказывает заведующий лабораторией геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН, член-корреспондент РАН Дмитрий Жарков.
Изучаемые в ИХБФМ СО РАН белки имеют критические 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.
Фото: площадка под установку дифрактометра на станции EXAFS-спектроскопии
Источник: ФГБУН «Федеральный исследовательский центр «Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН»