Молекула с запахом жасмина: ученый из МИФИ смоделировал антикоррозийное вещество

Доцент кафедры физики конденсированных сред НИЯУ «МИФИ» Константин Катин смоделировал молекулу нового вещества, способного защитить стальные конструкции от ржавчины. Разработка ориентирована на нефтяную промышленность, но может быть адаптирована для атомной отрасли.

«Мои научные интересы связаны с моделированием новых материалов на уровне атомов. Оно основано на законах квантовой механики, — ​рассказывает Константин Катин. — ​Меня до сих пор удивляет сила этой науки: она позволяет правильно предсказать свой­ства молекул, даже тех, которые еще никто никогда не синтезировал. Я получаю новую и иногда очень неожиданную информацию о веществах, просто манипулируя уравнениями на компьютере, не проводя никаких опытов в реальном мире. От этого есть и практическая польза: можно заранее узнать, каким именно образом синтезировать материал с нужными свой­ствами, а какие пути приведут в тупик. Объем и стоимость экспериментальных исследований сокращаются в десятки раз».

Ржавая проблема

Недавно Константин Катин смоделировал молекулу вещества, способного защитить от коррозии стальные конструкции — ​например, трубы нефтепровода. Они контактируют с агрессивной средой — ​нефтью, а если нефть добывают из морской скважины, то и с соленой водой. «Поиск ингибиторов коррозии — ​одна из самых актуальных задач в материаловедении, — ​говорит Константин Катин. — ​Люди используют железо с незапамятных времен, но так и не научились эффективно защищать его от ржавчины. Потери от коррозии в промышленно развитых странах составляют несколько процентов ВВП. Я занялся этой проблемой два года назад вместе с коллегами из Турции, Китая, Узбекистана, Индии, Южной Кореи».

Если ничем не обработать нефтяные трубы, лет через пять ржавчина проест их насквозь. Защитные покрытия продлевают жизнь трубам до 15–20 лет. А если периодически подмешивать в нефть вещество, смоделированное Константином Катиным, можно и этот срок увеличить кратно. Оно будет «латать» дыры, образовавшиеся в защитном покрытии. Важно, что вещество совершенно безвредно для окружающей среды. «Принцип действия ингибиторов прост: оседая на стальной поверхности, они предотвращают окисление, — ​объясняет Константин Катин. — ​Обычно это плоские гетероциклические молекулы, которые активно притягиваются к железу. Предложенный нами ингибитор состоит из двух природных соединений — ​госсипола, содержащегося в хлопчатнике, и индола, который есть в масле жасмина. Практическая эффективность ингибитора определяется многими факторами: растворимостью, устойчивостью, чувствительностью к кислотности среды и загрязнителям, способностью взаимодействовать с 3d-электронами железа и формировать однородную пленку. Наша цель — ​не просто замедлить коррозию. Мы оптимизируем целый комплекс параметров ингибитора, включая простоту производства, безопасность для окружающей среды, возможность применять к частично разрушенным конструкциям. Предложенные нами ингибиторы превосходят аналоги по совокупности характеристик».

От модели до трубы

У материаловедов пока нет универсального программного средства для моделирования новых веществ. Приходится на разных этапах пользоваться разными комплексами, а также создавать собственные специализированные программы. «На каждом этапе моделирования важно правильно выбрать приближенный способ описания процесса коррозии, — ​рассказывает Константин Катин. — ​Слишком точные методы неприменимы: не хватит компьютерных мощностей, чтобы получить результат в разумные сроки. А чрезмерно упрощенные подходы могут дать принципиально неверную картину. Это целое искусство, которым мы стараемся овладеть, — ​правильно скомбинировать описание разных уровней процесса коррозии».

Вещество, смоделированное российским ученым, уже синтезировали — ​в Турции. «Университет Osmaniye Korkut Ata оказал нам поддержку, предоставив оборудование и материалы, поэтому многие исследования выполнены там, — ​говорит Константин Катин. — ​Сейчас идет проверка эффективности инновации. Мы получили обнадеживающие результаты в сравнительно быстрых экспериментах, их длительность измеряется сутками. Но при нормальных условиях коррозия может развиваться несколько лет, поэтому хочется испытать ингибитор в течение более длительного времени. Такую проверку можно сделать в виде эксперимента или путем пробного применения в реальных условиях».

Защита конструкционных материалов от коррозии — ​весьма актуальная задача и в атомной отрасли. Но на ядерных объектах условия эксплуатации еще жестче: высокая температура, давление. Поможет ли тут разработка МИФИ? «Главная область применения наших ингибиторов — ​защита стальных конструкций, соприкасающихся с нефтью и морской водой. Мы не проводили специальных исследований для твэлов и ТВС, но это может стать следующим этапом работы», — считает Константин Катин.