Химическая проектная смена СПбГУ «Синтез и анализ – основа современной химии» в образовательном Центре Сириус

Завершилась ноябрьская химическая проектная смена в образовательном Центре Сириус, впервые организованная и реализованная преподавателями (руководителями исследовательских проектов) Института Химии СПбГУ при мощной поддержке их аспирантов и студентов. Эту смену надолго запомнят и участники, и организаторы.

Как сказал один из тех, кому посчастливилось принять участие в работе этой смены, ученик 10^го класса: Это был мой самый счастливый в жизни ноябрь!. И, наверное, не только в его жизни.

Многое вместила в себя эта ноябрьская смена: и выполнение участниками сессии исследовательских проектов, и прослушанный ими цикл научных и научно-популярных лекций, и олимпиадный тренинг с последующей за ней химической олимпиадой, и эрудицион (решение изобретательских задач), и научно-практическая конференция по итогам образовательной сессии.

Кто учился и кто учил? Почему эта смена оставила такой неизгладимый след в памяти?

На обучение в рамках программы приняты учащиеся 9–11 классов (предпочтение отдавалось ученикам 10-х классов), проявившие глубокий интерес к химии и продемонстрировавшие высокую результативность как при освоении образовательной программы (что подтверждается дипломами Всероссийской олимпиады школьников и олимпиад списка РСОШ), так и в области научно-технологического проектирования (подтверждение — дипломы региональных и Всероссийских конференций и конкурсов исследовательских работ). Отбор участников — представительный и жесткий: 70 человек из почти 800 претендентов! В составе исследовательских групп было от 4-х до 7 человек.

Главным при оценке результатов работы над исследовательским проектом явилась не только способность исполнителя к решению сформулированной в проекте задачи, но и мотивация к дальнейшему самостоятельному приобретению знаний. Понятно, что проявить эту способность в полной мере можно лишь тогда, когда рядом профессиональный, мудрый и тактичный наставник. Роль личности никто не отменял. Пикассо однажды спросили: Важнее ЧТО или КАК? Он ответил: КТО. Такой ЛИЧНОСТЬЮ стали для участников образовательной сессии по химии преподаватели и волонтеры из СПбГУ Института химии, которые на протяжении длительного времени, с февраля 1918 г. готовили эту ноябрьскую смену, продумывали все этапы эксперимента, требуемое оборудование и реактивы; кое-что пришлось комплектовать на месте и отправлять специальным грузом в Сириус.

Это — союз единомышленников, способных заменить друг друга, с уважением и вниманием к детям и коллегам. В этом сотворчестве они открывали детей, открывали себя.

Руководители исследовательских проектов

• Мерещенко Андрея Сергеевич, доктор химических наук, доцент кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ
• Скрипкин Михаил Юрьевич, кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ
• Бессонова Елена Андреевна, кандидат химических наук, доцент кафедры органической химии СПбГУ
• Ростовский Николай Витальевич, кандидат химических наук, доцент кафедры органической химии СПбГУ
• Курапова Ольга Юрьевна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии СПбГУ
• Пешкова Мария Анатольевна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии СПбГУ
• Савинов Сергей Сергеевич, кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры аналитической химии СПбГУ
• Тумкин Илья Игоревич, кандидат химических наук, старший преподаватель Института химии СПбГУ
• Михайлов Владимир Николаевич, кандидат химических наук, ассистент кафедры органической химии Института химии СПбГУ
• Богачев Никита Александрович, кандидат химических наук, ассистент кафедры неорганической химии Института химии СПбГУ
• Копаничук Илья Владимирович, ассистент кафедры физической химии СПбГУ

Волонтёры

• Глухарев Артем Геннадьевич, аспирант СПбГУ
• Калиничев Андрей Владимирович, аспирант СПбГУ
• Петрунина Александра Романовна, аспирант СПбГУ
• Сомова Вера Дмитриевна, студент СПбГУ
• Похвищева Надежда Викторовна, студент СПбГУ
• Коронатов Александр Николаевич, студент СПбГУ
• Никифорова Кристина Вадимовна, студент СПбГУ
• Острась Алексей, студент СПбГУ
• Макарова Анастасия Александровна, студент СПбГУ
• Булдаков Александр Владимирович, студент СПбГУ
• Толмачев Максим Викторович, студент СПбГУ
• Жуков Александр Сергеевич, инженер ООО "Прометей"

Приглашённые лекторы

Балова Ирина Анатольевна — д.х.н., директор Института химии СПбГУ. Лекции: «Механизмы органических реакций» и «Органическая химия: наука и искусство».

Кукушкин Вадим Юрьевич — д.х.н., чл.-корр РАН, профессор, зав. кафедрой физической органической химии Института химии СПбГУ. Лекции: «Превращения металлоактивированных молекул» и «Нековалентные взаимодействия и реакционная способность: эффект геккона, охотящегося на потолке».

Карцова Анна Алексеевна — д.х.н., проф. кафедры органической химии Института химии СПбГУ. Лекции: «Случайные неслучайные открытия» и «Как исследуют вещество. Хроматография».

Калинин Евгений Олегович — старший преподаватель кафедры радиохимии СПбГУ. Лекции: «Открытие радиоактивности» и «Изотопная археология. Изучение дольменов Северного Кавказа».

Москвин Сергей Анатольевич — учитель химии (Екатеринбург), заслуженный учитель РФ. Лекции с демонстрационным экспериментом: «Отзвуки химического эксперимента».

Кучменко Татьяна Анатольевна — д. х.н., зав. кафедрой физической и аналитической химии ФГБОУ ВО "Воронежский государственный университет инженерных технологий". Лекция: «Тайны электронного обоняния». Мастер-класс «Тайны электронного обоняния

Руководитель проектной образовательной смены по химии — Карцова Анна Алексеевна, д.х.н., проф. СПбГУ

Образовательная программа включала два логически взаимосвязанных между собой блока: «Органический и неорганический синтез», «Методы анализа химических соединений» В процессе освоения программы участники сессии приобрели навыки экспериментальной работы с веществами и материалами; умение анализировать полученные результаты и участвовать в научных дискуссиях, аргументируя свою позицию; начальные навыки программирования на языке высокого уровня. В рамках программы учащиеся познакомились с теорией проточного микрореакторного синтеза органических и неорганических соединений. Особое внимание уделялось изучению свойства синтезируемых веществ и их связи со структурой.

Для осознанного выбора того или иного проекта за 10 дней до начала смены на сайте Сириуса были размещены презентации предполагаемых проектов и Методические указания к их выполнению, подготовленные руководителями. В день открытия смены участники расставляли приоритеты при выборе того или иного исследовательского проекта.

Невостребованных проектов не оказалось!

Каковы темы проектов? И чего достигли участники под руководством своих наставников?

В рамках проекта «Современные техники лабораторного химического синтеза» (руководители: В.Н. Михайлов и А.С. Жуков), учащиеся прослушали лекционный курс, посвященный теории каталитических реакций современных методологий органического синтеза и микрореакторному проточному химическому синтезу. В рамках работы над проектом школьники своими руками сконструировали и создали базовую микрореакторную установку. Осуществили экспериментальное сравнение микрореакторной технологии с классическим методом синтеза азокрасителей и наночастиц магнетита, что позволило на практике оценить преимущества и недостатки каждой из представленных синтетических методологий.

При выполнении проекта «Изучение способов фальсификации документов: теория и практика» (руководители Тумкин И.И. и Сомова Вера) учащиеся освоили методы тонкослойной хроматографии, оптической микроскопии, спектрофотометрии, газовой хроматографии для обнаружения фальсификации документов. В ходе проекта участники познакомились с теоретическими и практическими аспектами вышеперечисленных методов и смогли применить полученные знания и навыки при решении контрольной задачи: определении подлинности предоставленного на экспертизу неизвестного документа.

Целью проекта «Исследование роста пленок диоксида титана различной морфологии на поверхности титана» (руководители Курапова О.Ю., Глухарёв Артем, Никифорова Кристина) явилось получение и исследование физико-химических свойств плёнок диоксида титана на поверхности титана методами окисления, а также золь-гель синтеза; сравнение полученных экспериментальных данных с расчётами. Создание пленок диоксида титана, а также синтез наночастиц — однн из наиболее распространенных способов получения современных материалов. В рамках проекта участники освоили основные аспекты расчёта термодинамических функций и кинетики химических реакций, исследовали полученные плёнки с помощью таких современных методов исследования как рентгено-фазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия и рамановская спектроскопия. В результате выполнения проекта получены данные о механизме реакции окисления титана.

Участники проекта «Молекулярное моделирование и современные инструменты обработки данных» (руководитель Копаничук И.В.) успешно освоили общие принципы моделирования молекулярных систем методами молекулярной динамики и Монте-Карло с использованием программы GROMACS и собственного кода на освоенном в рамках программы языке высокого уровня R. Для отработки методов была смоделирована система, состоящая из чистого аргона. Далее были изучены системы, состоящие из чистого метана (1) и смеси воды с углекислым газом (2) при низких температурах (85–284 K) и высоких давлениях (10–70 бар). Данные были обработаны и представлены с помощью программы VMD и библиотеки визуализации ggplot2. Кроме того, участники программы прослушали серию лекций по основам математического анализа, термодинамики, квантовой химии, строения молекул и атомов, и межмолекулярных взаимодействий.

Главная цель проекта «Теория ЖМКО Пирсона как инструмент оптимизации путей жидкофазного синтеза неорганических материалов» (руководитель Богачев Н.А.) раскрыть влияние свойств компонентов на состав, структуру и условия формирования кристаллосольватов в системах соль d-элемента — бинарный кислороддонорный растворитель. В качестве объектов исследования выбрано несколько тройных систем, содержащих галогениды меди и бинарные растворители: смеси диметилсульфоксида, диметилформамида и воды. В ходе работы получены диаграммы растворимости солей в указанных растворителях, а также определены составы кристаллизующихся из насыщенных растворов соединений и области их формирования. Эти данные уточняют результаты, полученные в ходе аналогичных исследований ранее, а также подтверждают правомерность экстраполяции обнаруженных ранее закономерностей на результаты вновь изученных тройных систем.

В ходе проекта «Антиоксиданты — индикаторы качества чая» (руководитель Бессонова Е.А.) участниками этой группы освоены такие методы анализа биологически активных соединений как высокоэффективная тонкослойная хроматография (ВЭТСХ) и обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ОФ ВЭЖХ); осуществлен экспресс-вариант определения катехинов и кофеина в различных сортах чая методами ВЭТСХ. Проектом заинтересовались сотрудники ВНИИ цветоводства и субтропических культур (г. Сочи): по их просьбе проведено исследование зелёного чая разных селекционных генотипов и получены хроматографические профили полифенолов. И конечно, участники этой группы познакомились с производством чая и посетили чайные плантации!

При выполнении проекта «Изменчивые кристаллы» (руководитель к.х.н. Скрипкин М.Ю. ) участниками получено около 30 веществ, проявляющих фазовые переходы первого и второго рода при температурах до 100° С. Вещества идентифицированы методом рентгенофазового анализа. Визуально, а также с использованием оборудования Научного парка СПбГУ (ДСК, термодифракция) определены температуры фазовых переходов. Показана возможность получения метастабильных форм путем соответствующего выбора растворителя. В ходе работы по проекту «Металл-органические структуры» (руководитель М.Ю. Скрипкин, Булдаков Александр) школьники познакомились с одним из наиболее широко изучаемых классов координационных полимеров. Воспроизведен синтез около 10 соединений, освоены различные методы синтеза: гидро (сольво)термальный, медленной диффузии, прямого смешения. Полученные соединения охарактеризованы методами колебательной спектроскопии, оптической (возможно, и атомно-силовой) микроскопии, рентгеновской дифракции.

При выполнении проекта по «Синтезу азокрасителей» (руководители Ростовский Н.В. и Коронатов А.Н.) участниками освоены основные приёмы работы с органическими веществами, методы их идентификации, в том числе ЯМР, ИК, УФ спектроскопия. В результате удалось осуществить синтез более 20 азокрасителей. Эти соединения опробованы в качестве кислотно-основных индикаторов, несколько из которых по результатам исследования могут быть рекомендованы для применения. Были изучены основные способы крашения и на практике с помощью синтезированных участниками красителей окрашены образцы ткани. Среди этих «образцов» — два лабораторных халата, что к восторгу слушателей и исполнителей было продемонстрировано на итоговой практической конференции.

Проект «Сравнительное определение микроэлементов в чайных листьях различных марок методом молекулярной фотометрии после кислотного разложения образцов» (руководитель Савинов С.С., Петрунина Александра) был направлен на получение практических навыков в области аналитической химии (количественного химического анализа), включая получение учащимися опыта планирования эксперимента, выполнения пробоподготовки реальных объектов и последующего определения их микроэлементного состава, обработки экспериментальных данных, интерпретации и представления результатов. Данные цели были достигнуты при практическом определении концентраций ряда микроэлементов в серии образцов различных чайных листьев.

Суть проекта «Фотография в количественном анализе» (руководители проекта М.А. Пешкова и Калиничев Андрей) заключалась в изучении возможностей оптических химических сенсоров для анализа ионных компонентов водных сред. Участники проекта познакомились с физико-химическими процессами, лежащими в основе сенсорного отклика, условиями формирования оптического сигнала; типами оптических сенсоров, материалами и методами их создания, а также сферой применения; получили экспериментальные навыки по созданию жидких сенсорных композиций на основе поливинилхлорида и колориметрических липофильных индикаторов, обучились способам изготовления датчиков, регистрации оптического сигнала при помощи макросъемки и обработки сигнала

При выполнении проекта «Электронная структура и фотохимия комплексов меди(II) в водных и органических растворителях» (руководители А.С. Мерещенко и Острась Алексей) определены электронные спектры поглощения хлоридных и бромидных комплексов меди(II) в ацетонитриле, этаноле и диметилсульфоксиде, рассчитаны константы комплексообразования. Методами квантовой химии оптимизированы геометрии галогенидных комплексов меди(II) и выявлены наиболее термодинамически выгодные формы. Показано, что подавляющее большинство комплексов характеризуются координационным числом 5 (тригональная бипирамида). Исследована фотохимия галогенидных комплексов меди(II) в этаноле и ацетонитриле и определены относительные квантовые выходы фоторазложения. Выявлено, что относительный квантовый выход фоторазложения комплексов [CuX]+, [CuX2] и [CuX]3- существенно выше в ацетонитриле, чем в этаноле вследствие эффективного тушения возбужденных электронных состояний молекулами этанола.

В рамках проекта «Сборка гена de novo нуклеазы ccCas» (научный руководитель Кошкарева К.А., БИОКАД), участниками синтезирован ген бактериальной нуклеазы, оптимизирован для экспрессии в клетках человека. За время проведения химической смены, выполнены многостадийные этапы и получены 2 длинных контига, которые осталось соединить. Работа открывает дополнительные возможности для генной терапии некоторых врожденных заболеваний.

Результаты работы доложены на научно-практической конференции при активном обсуждении в качестве экспертов всех участников сессии. 22 участника получили дипломы за достигнутые высокие результаты в интеллектуальных соревнованиях.

Бесконечная признательность Ресурсному Центру, с помощью которого, в существенной степени, удалось поднять планку выполненных работ.

Все задуманное было реализовано. И не только. Стихийно возник (и это была прекрасная стихия!) песенно-поэтический вечер-экспромт, где все на равных, и преподаватели, и школьники читали любимые стихи Киплинга, Ахматовой, Рождественского. И пели. И здесь без Ильи Игоревича Тумкина и его гитары было просто не обойтись. И на следующий день, став духовно и душевно, ещё ближе друг другу продолжили постигать химическую науку.

На закрытии этой смены единодушно согласились: «Искусство — это я. Наука — это мы!» (В. Гюго).

Все, кто принял участие в ноябрьской сессии по химии в Сириусе — школьники, руководители проектов, волонтёры — рассматривают её как очень результативную. Руководители проектов уже в дистанционном формате продолжают курировать свои группы, советуя, ориентируя, помогая.

По окончании проектной смены юным естествоиспытателям были заданы вопросы:

1. Была ли полезной эта смена для вас?
2. Что запомнилось больше всего и почему?
3. Что при выполнении исследовательских проектов вас особенно заинтересовало?
4. Какие лекции были для вас наиболее интересны?
5. Повлияла ли ноябрьская смена в Сириусе на выбор профессии?

Восторженная и признательная тональность ответов позволила заключить: продолжение будет!

Руководитель программы д.х.н., проф. СПбГУ, Анна Алексеевна Карцова