Группа учёных Научно-исследовательского института физической и органической химии Южного федерального университета предлагает современный взгляд на возможности квантово-химических расчетов. В основу группы входят отец и дочь: Андрей и Алёна Стариковы.
Путь в науке
Наука ‒ самое важное, самое прекрасное и нужное в жизни человека.
А.П. Чехов
На острие современной химической науки находится квантовая химия, доказавшая, что свойства материалов напрямую зависят от структурных мотивов внутри молекул и их ансамблей. Взгляды всего мира обратились к молекулярному дизайну.
Теперь, когда человечеству требуются новые функциональные материалы — очень пористый сорбент, экономный электропроводник, устойчивый фотоэлемент или матрица для доставки лекарств к внутренним органам — сначала их не получают в привычном понимании этого слова, а конструируют с привлечением компьютерных технологий, в частности методов квантовой химии.
Химические элементы в инновационных материалах всё те же, знакомые нам из периодической таблицы Менделеева, но вот их соединения могут быть любыми, в том числе никогда прежде не существовавшими в природе. И прогресс заключается в том, что сегодня учёным не нужно действовать наугад: благодаря пониманию методологии квантовой химии можно конструировать новые соединения с заданными свойствами, а уже потом их синтезировать.
Неудивительно, что учёные по всему миру ведут свои исследования в этой сфере. Интересно другое: как только эти учёные заходят в своих изысканиях молекулярного дизайна на почву органических, то есть углеродных соединений, они цитируют в своих статьях труды учёных из Ростова-на-Дону, и в списках научной литературы в очередной раз дважды звучит красивая русская фамилия: Starikov, A.G. и Starikova, A.A.
Новый импульс исследованиям в области теории строения и механизмов реакций органических и координационных соединений задает теоретической химии отдел строения и реакционной способности органических соединений НИИ ФОХ ЮФУ, где более сорока служит науке в родном университете главный научный сотрудник Андрей Стариков.
Андрей Стариков – доктор химических наук, он является соавтором более 200 научных работ. Общее количество цитирования Андрея Георгиевича в базе данных Scopus приближается к двум тысячам, его индекс Хирша – 21, что, несомненно, свидетельствует о международном признании его научных результатов.
«Чтобы сохранять актуальность своих научных направлений, необходимо постоянно следить за тенденциями в мировой науке, в том числе и в смежных областях, регулярно принимать участие в конференциях, стараться публиковаться в высокорейтинговых журналах», — отмечает Андрей Стариков.
Не отстает от отца и продолжательница научной династии Алёна Старикова, тоже доктор химических наук, ведущий научный сотрудник НИИ ФОХ ЮФУ.
«Я горжусь успехами дочери, она стала доктором химических наук в тридцать лет. Это абсолютно самостоятельный ученый, автономный в своих планах и успехах. В начале её научной карьеры, выражаясь фигурально, я дал ей удочку и показал, как ею пользоваться, а когда, какую рыбу и в каком пруду ловить, она решала сама. Дочь догоняет меня по наукометрическим показателям, и я этому очень рад. Рассчитываю, что благодаря продолжающемуся сотрудничеству с коллегами из институтов РАН и коллаборациям с зарубежными учёными она вскоре опередит меня», — поделился Андрей Стариков.
Химия нас связала
В химии все возможно.
А. Вюрц
Стариков Андрей Георгиевич родился 2 июня 1962 годав Сибири. Отец будущего химика, Георгий Стариков, был рабочим, коренным сибиряком, а мама, Любовь Молчанова, поехала в Сибирь по комсомольской путёвке поднимать целину в Алтайском крае. Когда Андрей учился в средней школе, семья переехала на родину матери — в Ростовскую область. По окончании школы в вуз поступила старшая дочь Стариковых Галина — она стала ветеринарным врачом, а затем и Андрей — он выбрал делом жизни химию.
На химическом факультете Ростовского государственного университета Стариков-студент закрепился за кафедрой физической и коллоидной химии, на протяжении многих лет занимающей лидирующие позиции в области изучения комплексов металлов. О них был студенческий диплом Андрея Старикова и первые исследования во взрослой научной жизни.
На кафедре он встретил и свою будущую жену Ольгу Тарасову — они писали дипломные работы у одного научного руководителя. Молодые люди не испугались трудностей и создали крепкую студенческую семью.
«Мама успешно защитила кандидатскую диссертацию по физической химии за пару месяцев до моего рождения. Она шутит, что я защищала кандидатскую дважды, может, это тоже отчасти повлияло на зарождение нашей династии», — рассказала Алёна Старикова.
Ольга Георгиевна десять лет после окончания университета работала на химическом факультете и в НИИ ФОХ, но в 90-е годы ей пришлось проявить социальную мобильность: сменить место работы и область научного знания. Докторскую диссертацию она успешно защитила уже по теории и методике профессионального образования. В настоящее время Ольга Старикова возглавляет центр дополнительного профессионального образования в Торгово-промышленной палате Ростовской области.
Андрей Георгиевич окончил химический факультет РГУ в 1984 году и сразу стал младшим научным сотрудником НИИ ФОХ, где работал по хоздоговорной тематике ещё студентом. В 1998 он защитил кандидатскую диссертацию по физической химии, а в 2009 году докторскую по той же специальности. В 1985 году в семье родилась старшая дочь Наталья, в 1989 – Алёна.
«Наше с сестрой детство пришлось на 90-е годы, не самые простые в истории России. Родители своим примером учили нас целеустремленности: они создали семью в студенческом общежитии, папе пришлось два года совмещать работу в университете и на заводе крупнопанельного домостроения. Было сложно, но они добивались для нас хороших условий: старались дать нам с сестрой разностороннее образование, мы закончили музыкальную школу, посещали кружки», — вспоминает Алёна Старикова.
В старших классах сёстры всерьез увлеклись математикой, обе закончили специализированную школу с золотыми медалями. Но если старшая дочь продолжила развиваться в этом направлении и закончила с красным дипломом механико-математический факультет РГУ, то Алёна пошла по стопам родителей — на химфак, однако заранее зная, что хочет заниматься именно теоретической химией, то есть вычислениями.
«Из всех направлений химической науки самыми интересными мне показались квантово-химические расчеты, благодаря которым можно предсказать и строение получаемых соединений, и механизмы химических реакций, а главное – смоделировать вещества с заданными характеристиками», — подчеркнула Алёна Старикова.
Муж Алёны Андреевны тоже химик и работает в ЮФУ: Максим Чегерев — старший научный сотрудник отдела строения и реакционной способности органических соединений ЮФУ. А познакомились они на научной конференции, куда Максим Геннадьевич приехал, ещё работая в институте РАН. Специализируется Чегерев в синтетической и теоретической химии координационных, металлоорганических и органических соединений и комплексах металлов с редокс-активными лигандами.
Недавно у Алены и Максима родился сын Александр. В семье Стариковых-Чегеревых, конечно, будут рады, если он однажды заинтересуется профессией родителей и деда. Но настаивать на этом никто не будет, ведь суть научной династии в личном примере старшего поколения и предоставлении свободы выбора младшему.
Компьютеры ускорили развитие химии — теперь химия ускорит развитие компьютеров
Посев научный взойдет для жатвы народной.
Д.И.Менделеев
Такова вкратце семейная история династии Стариковых. Теперь же вернемся в прошлое и увидим эту историю глазами квантовой химии, для которой эти учёные сделали столь многое.
Со времени появления в 80-х годах персональных компьютеров вычислительные системы стали неотъемлемым рабочим инструментом ученых, будучи включенными в аналитическое оборудование, расчетные кластеры, системы обработки информации. В те годы еще не было программ обучения IT-специалистов вне стен математических факультетов, и Андрею Старикову пришлось серьезно заняться самообразованием. С использованием приобретённых навыков им был написан ряд программ, предназначенных для сбора и интерпретации данных исследований.
«Первое время после трудоустройства в НИИ ФОХ РГУ я изучал свойства комплексов металлов физико-химическими методами, но в процессе работы стало ясно, что для успешной интерпретации экспериментальных данных необходимо привлечение квантово-химических расчетов. В 1994 году в институт был приобретен первый высокопроизводительный компьютер, запуск которого был поручен мне. На это ушло около двух месяцев, так как в университете не было подобных систем и не у кого было получить совет. Объяснив коллегам алгоритм работы с новой вычислительной системой и программными продуктами, я проникся идеей использования квантово-химических методов для интерпретации экспериментальных результатов. С тех пор мои исследования связаны с теоретической химией», — рассказывает Андрей Стариков.
Квантовая химия, как и другие отрасли знания, эволюционирует. Если раньше считалось огромным достижением предсказание некоторых свойств простейших молекул, то сейчас идет целенаправленный поиск химических соединений, обладающих заданными характеристиками, соответственно расширяется сфера научных интересов учёных.
Кандидатская диссертация Андрея Старикова была посвящена изучению донорно-акцепторных стабилизирующих взаимодействий. Его научным руководителем был профессор Руслан Миняев, который и сегодня продолжает передавать свои знания и опыт молодым исследователям. Сегодня Руслан Михайлович — главный научный сотрудник лаборатории квантовой химии НИИ ФОХ.
А вот при подготовке докторской Андрей Георгиевич вернулся к изучению комплексов металлов, с которых начинал в студенческие годы. Только теперь у него на службе был мощный вычислительный ресурс, благодаря которому удалось предложить подходы к выяснению влияния лигандного окружения на строение, свойства и механизмы реакций координационных соединений.
Итак, компьютерные вычисления сделали возможным конструирование сложных молекулярных структур. Но зачем нужны такие сложные молекулы, что можно сделать из них? Например, компьютеры нового поколения!
Сегодня вычислительные мощности человечества всё стремительнее достигают энергетического потолка. Треть электричества, вырабатываемого всеми электростанциями мира, уходит на вычислительные операции серверов и больших компьютерных ферм. Люди производят микроэлектронику всё более миниатюрной, используют полупроводники с очень низким сопротивлением, и всё-таки энергозатраты остаются огромными.
«Одним из перспективных способов решения этой задачи является переход от полупроводниковой электроники, основанной на неорганических системах, к молекулярной, в которой единичная молекула является логическим элементом с управляемыми внешними воздействиями состояниями. С помощью многомасштабных квантово-химических расчётов нами показано, что путём рационального подбора составляющих компонентов среди комплексов переходных металлов и органических соединений могут быть найдены молекулы, обладающие свойствами магнитных переключателей, молекулярных магнитов и спиновых кубитов», — рассказал Андрей Стариков.
Молекулы с такими свойствами могут найти применение в качестве логических переключателей и ячеек энергонезависимой памяти в квантовых компьютерах. Сделанные на основании проведенных НИИ ФОХ теоретических исследований выводы расширяют фундаментальные представления о подходах к конструированию новых магнитоактивных соединений и материалов и способствуют ускорению создания систем обработки больших объемов данных.
Андрей Стариков удостоен звания «Почетный работник науки и высоких технологий Российской Федерации». Он неоднократно руководил проектами Российского фонда фундаментальных исследований, в 2017-2019 годах возглавлял проект, реализуемый в рамках Госзадания, был ответственным исполнителем грантов Российского научного фонда, принимал участие в выполнении Мегагранта и в крупном научном проекте, реализованном ЮФУ в консорциуме с академическими институтами РАН. Ученый регулярно проводит междисциплинарные исследования с коллегами из других подразделений университета.
«Амбициозной задачей, решаемой современной наукой, является поиск материалов, способных привести к конструированию компьютеров, функционирующих подобно человеческому мозгу. В этой связи значительное внимание исследователей направлено на разработку молекулярных систем, пригодных для создания ячеек памяти и логических элементов. Наиболее часто в этом качестве рассматривают соединения переходных металлов. Выявление взаимосвязей между электронным строением изомеров изучаемых соединений и их магнитными характеристиками позволит предложить пути структурной модификации органических парамагнетиков. Успешная реализация проекта приведёт к предсказанию органических молекул с фотопереключаемыми магнитными свойствами, что будет способствовать созданию нового поколения вычислительных систем – квантовых компьютеров, оперирующих при обычных температурах», – рассказал Андрей Стариков о значении своих настоящих и будущих проектов.
Конечная цель науки — благо человека
Изучение химии имеет двоякую цель: одна - усовершенствование естественных наук, другая - умножение жизненных благ.
М.В. Ломоносов
Алёна Андреевна Старикова трудится в НИИ ФОХ ЮФУ с 2011 года: сначала в статусе аспирантки, а с 2013 года ‒ как штатный исследователь. Результаты выполненных ею исследований многократно апробированы на международных научных конференциях самого высокого уровня и опубликованы в высокорейтинговых научных журналах.
«Я с радостью вспоминаю свои студенческие годы на химфаке ЮФУ, поддерживаю связь с однокурсниками. А еще я тепло вспоминаю своих преподавателей. Нам дали хорошие знания, учиться приходилось много, но это то, что с гордостью можно назвать классическим фундаментальным образованием. Сильнее всего на меня, как учёного и как человека, повлиял Владимир Исаакович Минкин, выдающийся ученый, представитель мировой научной элиты. Каждый, кому посчастливилось работать под его руководством, проникается к нему глубочайшим уважением: редкое сочетание научной гениальности и человеческого благородства. От души желаю ему вдохновлять нас своим примером долгие годы», — поделилась Алёна Старикова.
Заниматься научной работой на постоянной основе Алёна Андреевна начала на третьем курсе университета. Это были годы, когда для молодых учёных стали открываться хорошие перспективы, что определило выбор места работы — НИИ, в котором проделали свой путь в науке родители.
Алёна Старикова участвовала в программах повышения квалификации и стажировки, например, в Университете Цукубы (Япония), в Летней Школе молодых ученых (Гельзенкирхен, Германия), в научных форумах международного уровня, на одной из конференций она познакомилась с будущим мужем.
В своих исследованиях доктор химических наук Старикова разрабатывает новые подходы к созданию вычислительных систем, принцип действия которых основан на управлении электронными состояниями единичных молекул.
«Наши исследования направлены на компьютерный поиск комплексов переходных металлов и органических соединений, демонстрирующих вариабельность магнитных свойств в зависимости от приложенных внешних воздействий», — рассказала Алёна Старикова.
По результатам выполненных совместно с коллегами исследований опубликовано более 100 научных статей в журналах, индексируемых в библиографических базах Web of Science и Scopus, представлены доклады на 30 международных научных конференциях, индекс Хирша – 18.
«Я привыкла ответственно относиться к работе, это началось с добросовестного отношения к учебе. Мне повезло работать с учеными, имеющими мировую известность, их творческая активность и сейчас является для меня примером. Развитие современной химии связано с созданием новых веществ и материалов, способных улучшить качество жизни человека в самых различных ее проявлениях. Мы развиваем фундаментальную науку, но я больше всего хочу, чтобы мои теоретические результаты нашли практическое применение как можно скорее», — подытожила Алёна Старикова.
НИИ феноменальных открытий химии
Химия – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества, величайшие завоевания разума будут сделаны именно в этой области.
Максим Горький
Конечно, аббревиатура НИИ ФОХ, где работают Стариковы, расшифровывается не так. На самом деле это Научно-исследовательский институт физической и органической химии, но его сотрудники творят чудеса не меньше, чем исследователи НУИНУ в фильме «Чародеи».
НИИ ФОХ был образован в 1971 году в рамках созданного годом ранее Северо-Кавказского научного центра (СКНЦ) высшей школы. Более пятидесяти лет научную репутацию института составляли и составляют выдающиеся ученые-химики с мировыми именами. В этих стенах совершали свои величайшие открытия академик РАН, научный руководитель Южного федерального университета Владимир Минкин, член-корреспондент РАН, прославленный ректор Ростовского государственного университета Юрий Жданов, первый директор НИИ профессор Геннадий Дорофеенко, заслуженный деятель науки РСФСР профессор Осип Осипов, профессора Владимир Брень, Александр Гарновский, Руслан Миняев и другие.
«Молодым сотрудникам института есть на кого равняться и с кого брать пример. Организационная структура университетского НИИ обеспечивает тесный контакт с факультетами университета и возможность привлечения к работе над научными проектами наиболее способных студентов. Функционирующий при институте диссертационный совет по защите кандидатских и докторских диссертаций обеспечивает необходимые условия для научного роста молодежи», — поделился Андрей Стариков.
К основным направлениям исследований НИИ физической и органической химии относятся: органический синтез, медицинская химия, молекулярный дизайн, молекулярная электроника, фотоника и хемосенсорика, направленный синтез структур для сред трехмерной оптической памяти.
Именно химики РГУ в 1969 году открыли явление ацилотропии. Из лабораторной и технологической химической практики известно, насколько трудно вовлекать органические соединения в быстрые и контролируемые реакции, без высоких давлений или температур. В 1969 году ученым университета Юрию Жданову, Владимиру Минкину и Льву Олехновичу удалось впервые доказать, что стоит включить в систему остаток органической кислоты – ацил – и в молекулах между атомными центрами нуклеофильного характера быстро и обратимо мигрируют тяжелые ацильные группы. В последующих экспериментах установлена широкая общность процессов углеродной таутомерии: к быстрым и сверхбыстрым обратимым перемещениям оказались способны и другие группы атомов, имеющие в своем составе пространственно плоский углеродный центр.
«Сложно даже выбрать из множества открытий НИИ самые впечатляющие. Из последнего назову, пожалуй, теоретическую разработку принципа структурного моделирования соединений с динамической молекулярной структурой, обладающих способностью к обратимым низкобарьерным внутримолекулярным перегруппировкам. На основе этого принципа осуществлен направленный синтез соединений, существующих в двух или нескольких устойчивых формах, взаимные переходы между которыми могут происходить при воздействии электромагнитных полей», — объяснил Андрей Стариков.
В своих педагогических статьях более ста пятидесяти лет назад великий русский писатель Лев Толстой написал очень актуальные сегодня слова: «Наука вовсе не трудна и не тяжела, она, напротив, имеет свое обаяние для каждого человеческого ума, – обаяние точности, полноты и системы. Хочешь наукой воспитать ученика, люби свою науку и знай ее, и ученики полюбят и тебя, и науку, и ты воспитаешь их; но ежели ты сам не любишь ее, то сколько бы ты ни заставлял учить, наука не произведет воспитательного влияния».
Семья Стариковых поздравляет всех с Днём Российской науки и желает всем своим коллегам любить свое дело, любить науку, ведь она обязательно откликнется взаимностью! Мы же в свою очередь желаем всем построить такую крепкую и основанную на взаимной поддержке семью, как у династии Стариковых!