В апреле 2024 года в «Сириусе» впервые состоялась программа по современной химической термодинамике – это раздел физики на стыке с химией, который изучает, как передается и преобразуется энергия в разных системах, что является движущей силой процессов и каков их конечный результат. Знания в этой области позволяют создавать новые материалы и совершенствовать свойства уже существующих. Сегодня эта наука применяется в энергетике, теплотехнике, материаловедении, химической технологии, фармации, биохимии и многих других сферах науки и производства. В рамках программы школьники получили базовые теоретические знания на лекциях и семинарах, а во второй части программы учились применять их на практике – при выполнении лабораторных работ и небольших научных проектов. Подробнее о программе рассказала руководитель – профессор кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, заведующая лабораторией химической термодинамики, заместитель декана химического факультета по учебно-методической работе, доктор химических наук Ирина Успенская.
В апрельской программе по термодинамике приняли участие 27 учеников 9–11-х классов со всей страны. Она вызвала широкий отклик у ребят – было подано свыше 1 200 заявок. В рамках отбора школьникам предстояло пройти дистанционное тестирование и итоговое собеседование. Причем на втором этапе комиссия рассматривала рефераты участников – каждый должен был выбрать одну из десяти предложенных тем и раскрыть ее на собеседовании. Это позволило экспертам лучше понять общий уровень знаний ребят и сферу их интересов, чтобы на практической части программы направить участника на наиболее подходящий ему проект.
«Термодинамика – это очень удачный пример междисциплинарной области знаний, лежащей на стыке химии, физики и математики. Также термодинамика наглядно демонстрирует, как от фундаментальных законов, открытых много десятилетий назад, мы выходим на практику и решение серьезных и действительно актуальных задач. Без знания термодинамики сегодня невозможно заниматься материаловедением, запустить ни одно химическое производство. Эта наука позволяет прогнозировать условия получения веществ и материалов с заданным набором функциональных свойств, оптимизировать различные технологические параметры производства. У нас получилась максимально прикладная программа, где мы постарались показать школьникам самые разные сферы применения современной химической термодинамики», – говорит Ирина Успенская.
Новый образовательный интенсив состоит из нескольких блоков. В рамках лекций и семинаров школьники получили фундаментальные знания по основам физической химии. После этого ребят ждал небольшой подготовительный практикум, который позволил им влиться в экспериментальную часть. Ребята под руководством наставников разбирали типовые задачи – это база, необходимая для включения в любой серьезный проект. Участники учились проводить спектрофотометрический и титриметрический анализы, получили представление об уникальном термоаналитическом оборудовании и навыки работы на нем. Специально для этого занятия эксперты программы собрали и привезли в «Сириус» два новейших оригинальных термоанализатора. Также школьники попробовали самостоятельно рассчитывать фазовые диаграммы в рамках расчетного практикума.
Все полученные теоретические знания и навыки ребята закрепили практикой. Участникам программы предложили пять тем для проектных задач. Они связаны с проблемами создания новых видов минеральных удобрений, переработкой техногенного сырья, разработкой специальных видов сплавов для нужд атомной и космической промышленности, синтезом оксидных функциональных материалов в кристаллическом и аморфном состоянии, получением новых фармпрепаратов.
Все эти проекты в основе своей экспериментальные. Например, в рамках поиска новой формулы для удобрений участникам нужно было предложить собственную рецептуру и оценить экономическую целесообразность использования комплексных жидких удобрений. Такие удобрения должны иметь оптимальный состав по содержанию полезных для растений элементов, быть достаточно концентрированными, чтобы сократить расходы на их транспортировку, и в то же время не образовывать осадков в процессе хранения и перевозки. По результатам проведенных работ школьникам необходимо было предложить свой вариант оптимальной рецептуры.
В рамках задачи, посвященной сплавам, нужно было предложить варианты сплавов для уменьшения веса двигателей в космической промышленности. С помощью наставников ребята готовили литые сплавы, проверяли их на твердость, прочность и другие параметры, чтобы определить, какие из них наиболее точно соответствуют требованиям потенциального заказчика.
Еще одна команда решала проблему, связанную с переработкой техногенных отходов, изучала процесс экстракционного извлечения редкоземельных металлов с использованием экстрагентов зеленой химии. Четвертая проектная группа анализировала физико-химические свойства стекол, их структуру и процессы кристаллизации. В рамках проекта школьники исследовали, как добавление различных элементов к стекольной матрице изменяет ее свойства, – это поможет разрабатывать новые виды стекол с улучшенными характеристиками. Наконец, еще один проект был из области фармации. Ребята самостоятельно синтезировали вещества, которые потенциально могут стать основой лекарственных препаратов, проводили их очистку и изучали различные свойства. Это необходимо, чтобы оценить перспективы применения полученных веществ в фармацевтической сфере.
«Важно, что все эти проекты связаны с реальными задачами, которыми занимаются научные группы ведущих научно-образовательных центров России. На программе школьники получили возможность познакомиться с такими задачами, предложить свои варианты решений, поработать руками, выполнить различные эксперименты, познакомиться с современным оборудованием и программными продуктами, другими словами, попробовать науку на вкус. Очень важно, что в программе приняли участие не только представители ведущих российских университетов – МГУ, КФУ, УрФУ, но и представители крупнейших российских компаний, которые рассказывали о современных сферах применения термодинамики в реальном секторе экономики. При этом они раскрывали не только научную, но и экономическую составляющую процессов. Ведь не всегда красивое с точки зрения науки решение может быть финансово целесообразным. Осознание этого очень важно, чтобы идеи ученых не оставались в лабораториях, а находили свое воплощение в реальной жизни», – поясняет Ирина Успенская.
В конце программы ребята презентовали экспертам итоги своих проектных работ, показали, чему новому и полезному они смогли научиться за это время, продемонстрировали свои умения и готовность работать в команде.
