Молекулярные машины — красивый образ, мечта или реальность?

В день присуждения Нобелевской премии по химии 2016 года Жан-Пьеру Соважу, Бернарду Феринге и Фрезеру Стоддарту «за дизайн и синтез молекулярных машин» редакция ТрВ-Наука обратилась ко мне с просьбой дать комментарий по этому поводу. Я согласилась: хорошо знаю работы лауреатов, неоднократно пересекалась с ними на различных конференциях, начиная с уникальной по концентрации нобелевских лауреатов конференции, посвященной столетию формулировки принципа «ключ — замок», проведенной в 1994 году в Бирмингеме Стоддартом.

В 1997 году я была приглашенным профессором в лаборатории другого нобелевского лауреата (1987), Жана-Мари Лена (Jean-Marie Lehn), в Страсбургском университете — альма-матер Соважа, где имела возможность «вариться в супрамолекулярном котле», работая над переводом на русский язык монографии Лена «Супрамолекулярная химия» (изданным в 1998 году в г. Новосибирске Сибирским предприятием «Наука» РАН).

Менее чем за неделю, прошедшую с этого момента, десятки журналистов и ученых по всему миру уже дали свои комментарии. Спектр комментариев чрезвычайно широк: популярный пересказ содержания работ лауреатов, информирование общественности о собственных работах в этой области, головокружительные обещания скорого прорыва в будущие технологии, когда молекулярные машины будут окружать нас повсюду в виде искусственных мускулов и транспортных систем.

Встречались и скептические комментарии, авторы которых напоминали, что первые катенаны, ротаксаны и молекулярные узлы были синтезированы еще в 1960-е годы, причем не теми учеными, которым присуждена сейчас Нобелевская премия; указывали, что традиционные методы синтеза дают эти соединения с очень низкими выходами, поэтому их «следует отнести к области экзотики в мире органических молекул», а «ожидать сколько-нибудь значимых практических приложений в обозримом будущем не следует».

Что же остается теперь мне? Извиниться перед редакцией и отказаться от комментария? Подумав, я решила, что всё же могу добавить несколько слов. Мой личный взгляд на проблему не претендует на то, чтобы быть единственно возможным мнением.

Лауреаты премии — синтетики. Хотя первые ротаксаны и катенаны действительно были синтезированы давно, несомненная заслуга лауреатов премии в том, что усилиями руководимых ими коллективов произошел переход от отдельных «экзотических» примеров к систематическому получению разнообразных красивых и интересных соединений данных классов, которые перестали восприниматься как нечто необычное. К слову, сейчас появились новые методы синтеза ротаксанов, катенанов и молекулярных узлов с высокими (80–100%) выходами, основанные на «сухих» механохимических технологиях. Отчасти именно с возможностью синтеза таких сложных супрамолекулярных комплексов и супермолекул связан небывалый расцвет механохимии именно органических соединений в последние годы.

Являются ли лауреаты премии (или любые другие исследователи) изобретателями «молекулярных машин»? Стоит ли ожидать появления множества молекулярных машин в ближайшем будущем? Первый изобретатель молекулярных машин, несомненно, Природа. Молекулярные машины — и в огромных количествах — уже давно вокруг и внутри нас. Биохимические процессы основаны на работе множества сложных молекул и супрамолекулярных комплексов, которые превращают энергию тепла, света, химических реакций в различные виды механических движений.

Программным манифестом исследователей, которые решили «догнать и перегнать» саму Природу в области создания таких хемомеханических устройств, можно, наверное, считать опубликованную в 1992 году книгу Эрика Дрекслера «Наносистемы». Подзаголовок книги содержит три ключевых слова: «Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Именно эти три направления стали основными в области изучения наносистем во многих странах, в гораздо большей степени, чем изучение наноразмерных порошков. Нобелевская премия 2016 года — закономерный итог такого развития.

Умение возбуждать и контролировать вполне определенные механические движения отдельных молекул может найти практическое применение — например, при создании молекулярных логических элементов, сенсоров, в фармации. Об этом уже много написано. Но есть еще один аспект проблемы, на котором я бы хотела остановиться: возможность перехода от возбуждения движений отдельных молекул к реализации контролируемых механических эффектов в макроскопических объектах, материалах.

Самые интересные молекулы еще не материалы, так же как самые совершенные винтики и шестеренки еще не механизм. То, за что присуждена премия, на самом деле пока далеко от переноса на уровень макродвижений. Для того чтобы перенести хемомеханические явления на макромир, необходимо научиться создавать протяженные структуры, активные элементы которых — эти молекулы — были бы расположены строго определенным образом и функционировали под действием внешних стимулов согласованно и контролируемо.

Необходимо переходить к макроскопическим твердым объектам — пленкам, кристаллам, в которых бы наблюдались фото-, электро-, магнитохемомеханические эффекты. Если проанализировать, что публикуют научные журналы сегодня, можно видеть, что именно сюда, в область материалов на основе молекулярных кристаллов, способных к обратимому изменению формы и совершению работы под действием внешних воздействий, всё более смещается интерес.

Вот уже который раз при объявлении очередной Нобелевской премии, комментируя чужие успехи, мы начинаем говорить, что «и у нас эти работы ведутся», а то и вообще сокрушаться, что «вообще-то первыми были россияне, но работы не получили должного развития». Так уже было и с фуллеренами, и с ВТСП, и с графеном…

К сожалению, нет пророка в своем отечестве, и мы обычно начинаем поддерживать какие-то направления только после того, как они получают развитие за рубежом. Мы намечаем новые пути, но сами по ним не идем, а потом начинаем догонять тех, кто очень далеко ушел за время нашего бездействия, когда и догнать-то уже проблематично.

Почему так происходит? Выскажу свои соображения. Для того чтобы предложить новую идею, получить первые результаты, обычно не требуется больших ресурсов — и это нам удается. Но для того чтобы затем развивать эту работу, сохранять лидерство, даже просто оставаться на уровне других исследователей, подхвативших твое же начинание, необходимы уже совсем иные условия.

Прежде всего необходимо значительное, при этом стабильное и долгосрочное, финансирование, сочетающееся с возможностью гибко и быстро маневрировать при выборе тактики работы, не быть связанным необходимостью обеспечить ранее заявленное число публикаций в год или даже квартал, при этом придерживаясь строго буквы записанного в планы несколько лет тому назад.

Необходима возможность привлекать к работе специалистов разных профилей, объединенных вокруг общей стратегической задачи, причем делать это оперативно и свободно от бюрократических пут, регламентирующих каждый шаг и вздох и ставящих множество ограничений. Коллективы, работающие над научными задачами, должны функционировать как супрамолекулярные машины — легко собираться, модифицироваться, переформировываться, распускаться и вновь собираться.

Безусловное право решать, кого, на какой срок и на каких условиях приглашать в участники проекта, равно как и ответственность за результат должны принадлежать научному лидеру, формирующему команду под проект. Команда может быть «распределенной» — люди продолжают работать в разных городах и странах, но объединяют свой опыт, ресурсы для решения общих задач.

К сожалению, сегодня система распределения грантов у нас не способствует объединению нескольких сильных групп вокруг одной задачи — напротив, они вынужденно конкурируют друг с другом за скромное финансирование, при этом нередко оценивая проекты друг друга как «независимые эксперты». Если же экспертом выступает «сторонний наблюдатель», то он либо далек от области и не может реально оценить перспективность работы, либо, даже понимая, что идеальным было бы создать объединенную группу из исполнителей нескольких конкурирующих заявленных проектов, укрупнив финансирование и соединив усилия, не имеет возможности дать такую рекомендацию. Если и даст, то нет механизмов ее исполнения. А иногда, как ни прискорбно, работа вообще торпедируется по сугубо субъективным причинам уровня «личной неприязни» даже без какой-либо выгоды для торпедирующих, уполномоченных принимать решения.

Синтетики России уже высказались: у нас есть группы, способные проводить самые сложные синтезы. Не случайно и в международных коллективах лауреатов нынешней премии работали в том числе синтетики, подготовленные в СССР, уехавшие в 1990-е годы. Но наша страна имеет приоритет и реальные шансы сохранять мировое лидерство и в других областях, не менее важных для достижения конечной цели — выхода на уровень макроэффектов и реальных материалов (если, конечно, работы эти будут признаны значимыми и получат поддержку). Это и механохимия органических веществ, позволяющая решить проблему получения веществ в значительных количествах с высоким выходом, и управление реакционной способностью молекулярных твердых веществ, умение получить из них материалы и устройства, способные совершать механическую работу, при этом не разрушаясь и не теряя характеристик в процессе эксплуатации.

Первые синтезы органических соединений механохимическими методами были проведены в 1940–1950-е годы в СССР; долгие годы именно наши ученые задавали тон и лидировали в мире в области механохимии, имея и официальное международное признание. Но сегодня основными центрами механохимических исследований всё более становятся Канада, Великобритания, Франция, Китай, Италия. Их ведут совсем иные, молодые люди, нередко даже не знающие о прежних российских работах и не упоминающие их, зато имеющие на порядок более высокий уровень ресурсного обеспечения и, что очень важно, выступающие «единым международным фронтом», а не разрозненно конкурирующие друг с другом.

Фотохемомеханические эффекты в молекулярных кристаллах — упругий изгиб кристаллов в результате протекания в них обратимых фотохимических реакций — впервые были описаны именно российскими учеными в 1980-е годы: практически одновременно и независимо в Горьком (Абакумовым и Неводчиковым), Новосибирске (автором данной заметки, Сидельниковым и Чупахиным) и Новокузнецке (Ивановым и Урбаном). Хотя мы и наши коллеги из других городов предложили использовать данный эффект в сенсорах и фотометрах, на которые были получены авторские свидетельства на изобретения, не то что ажиотажа, но и просто сколько-нибудь заметного интереса в нашей стране эти работы не вызвали.

Я храню как курьезную реликвию отказ принять наш доклад на эту тему в виде стендового сообщения на Всесоюзную конференцию по реакционной способности твердых веществ «ввиду малой значимости сообщения и перегруженности программы». К сожалению, с приходом 1990-х продолжение наших работ по изучению фотомеханических эффектов в кристаллах в России стало проблематичным — работы не получали финансовой поддержки, никак не вписываясь в направления, обозначенные как приоритетные на основании того, что было «модно» в то время, чем занималось большинство и у нас и за рубежом.

К счастью, наличие российских публикаций и патентов позволило мне всё же заявить проекты, направленные на продолжение этих работ, в Фонд Гумбольдта, Королевское общество Великобритании, Национальный совет научных исследований Италии, Немецкое исследовательское общество, продолжить их за рубежом, опубликовать в международных журналах; но затем пришлось снова прервать исследования на пятнадцать лет после возвращения в Россию.

Возможностью вернуться к этой теме, получив поддержку инициативного проекта РФФИ, я обязана тому, что за прошедшие тридцать лет работы, начатые в СССР, получили развитие в других странах, наблюдавшиеся нами эффекты были «переоткрыты» и «переопубликованы» японцами и американцами, и теперь не проходит дня, чтобы в самых «престижных» международных журналах не появилось статьи из этой области. На наши работы 1980-1990-х годов, долго остававшиеся незамеченными, если судить по ссылкам на них, начали ссылаться по нарастающей.

Мы сами, вернувшись к, казалось бы, навсегда оставленной нами теме, смогли выйти на качественно новый уровень, что отразилось и в наших публикациях, например, в Chemical Reviews и Advanced Functional Materials. Удастся ли нам — конкретно нашей группе и России в целом — хотя бы сохранить свои позиции? Сможем ли мы использовать свой потенциал для того, чтобы утвердить лидерство в этой области в мире? Ответа нет. Надежда? Она, как известно, умирает последней.

Елена Болдырева,
докт. хим. наук, гл. науч. сотр. Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск), зав. кафедрой химии твердого тела Новосибирского государственного университета