UniSysCat

UniSysCat (University of Excellence — UniSysCat, полное название — UniSysCat: Integrative Research Center for Catalysis) — это междисциплинарный научно-исследовательский центр, созданный в рамках программы «Exzellenzstrategie» (Стратегия превосходства) в Германии. Центр базируется в Берлине и Потсдаме, его головной организацией является Берлинский технический университет (TU Berlin). Основная специализация UniSysCat — фундаментальные и прикладные исследования в области катализа, включая синтез, характеризацию и моделирование каталитических систем, а также разработку новых катализаторов для химической, энергетической и фармацевтической промышленности.

История

Предпосылки создания

Идея создания UniSysCat возникла в контексте глобальной конкуренции в области катализа. В 2010-х годах в Германии была запущена программа «Exzellenzinitiative» (Инициатива превосходства), направленная на поддержку ведущих университетов и исследовательских кластеров. В 2018 году в рамках этой программы был объявлен конкурс на создание новых центров превосходства. Берлинский технический университет совместно с партнёрами — Свободным университетом Берлина, Университетом Гумбольдта, Потсдамским университетом, а также рядом институтов Общества Макса Планка и Общества Фраунгофера — подал заявку на создание центра по катализу.

Основание и развитие

Проект был одобрен в 2019 году, и UniSysCat официально начал работу 1 января 2020 года. Финансирование было выделено на семь лет (до 2026 года) с возможностью продления. Первоначальный бюджет составил около 40 миллионов евро. Директором центра стал профессор Маттиас Дрисс (Matthias Driess), специалист в области координационной химии и катализа. В 2023 году центр прошёл промежуточную оценку, по итогам которой его работа была признана успешной, и финансирование было продлено до 2029 года.

Структура и управление

Организационная схема

UniSysCat представляет собой консорциум, объединяющий более 30 исследовательских групп из 5 университетов и 6 внеуниверситетских институтов. Управление осуществляется директоратом, который включает директора, двух заместителей и представителей всех партнёрских организаций. Научный совет центра, состоящий из ведущих международных экспертов, проводит ежегодные аудиты.

Ключевые партнёры

• Берлинский технический университет (TU Berlin) — головная организация.
• Свободный университет Берлина (FU Berlin).
• Университет Гумбольдта в Берлине (HU Berlin).
• Потсдамский университет (UP).
• Институт коллоидов и границ раздела Общества Макса Планка (MPI-KG).
• Институт химической энергетики Общества Макса Планка (MPI-CEC).
• Институт Фрица Габера Общества Макса Планка (FHI).
• Институт прикладных исследований Берлин-Бранденбург (IAP).
• Институт Фраунгофера по прикладной полимерной химии (IAP).

Научные направления

Основные цели

UniSysCat ставит перед собой три главные задачи:

1. Разработка новых каталитических систем, способных работать в условиях, близких к природным (например, при комнатной температуре и атмосферном давлении).
2. Создание методов in situ и operando для наблюдения за каталитическими процессами в реальном времени.
3. Интеграция экспериментальных и теоретических подходов для предсказательного дизайна катализаторов.

Кластеры исследований

Научная программа центра разделена на четыре взаимосвязанных кластера:

Кластер A: Молекулярный катализ

Изучает гомогенные каталитические системы, включая металлоорганические комплексы, ферменты и их искусственные аналоги. Особое внимание уделяется катализу с участием переходных металлов (железо, кобальт, никель, медь), а также фото- и электрохимическому катализу.

Кластер B: Гетерогенный катализ

Занимается разработкой твёрдых катализаторов, таких как наночастицы, цеолиты, металл-органические каркасы (MOF) и ковалентные органические каркасы (COF). Исследуются процессы, протекающие на поверхности катализаторов, включая адсорбцию, активацию связей и десорбцию продуктов.

Кластер C: Биокатализ и биоинспирированный катализ

Фокусируется на ферментах и их модифицированных версиях, а также на создании синтетических систем, имитирующих природные каталитические центры. Включает работы по инженерии белков и метаболической инженерии.

Кластер D: Теория и моделирование

Обеспечивает теоретическую поддержку экспериментальным кластерам. Используются методы квантовой химии (DFT, ab initio), молекулярной динамики, машинного обучения и искусственного интеллекта для предсказания каталитической активности и оптимизации условий реакции.

Примеры конкретных проектов

• Проект «Солнечное топливо»: Разработка фотокаталитических систем для расщепления воды на водород и кислород с использованием солнечного света.
• Проект «Аммиак из воздуха»: Создание катализаторов для синтеза аммиака из азота и воды при комнатной температуре (альтернатива процессу Габера-Боша).
• Проект «Пластик в ценные химикаты»: Каталитическое разложение полимеров (полиэтилен, полипропилен) до мономеров или других полезных соединений.
• Проект «Ферментные каскады»: Разработка многостадийных биокаталитических процессов для синтеза сложных фармацевтических субстанций.

Инфраструктура и оборудование

Лабораторные комплексы

UniSysCat располагает несколькими специализированными лабораториями, оснащёнными современным аналитическим оборудованием:

• Центр синтеза катализаторов: включает установки для синтеза наночастиц, MOF, COF и металлоорганических комплексов.
• Лаборатория in situ спектроскопии: оборудована спектрометрами для ИК-, Рамановской, УФ-видимой, ЭПР и ЯМР-спектроскопии, работающими в условиях реального каталитического процесса.
• Лаборатория электронной микроскопии: имеет просвечивающие (TEM) и сканирующие (SEM) электронные микроскопы с возможностью элементного анализа (EDX, EELS).
• Лаборатория рентгеновской дифракции: включает дифрактометры для порошковой и монокристаллической дифракции, а также синхротронные линии (доступ к BESSY II в Берлине).

Вычислительные ресурсы

Центр использует суперкомпьютерный кластер TU Berlin (мощность около 1 петафлопс) для проведения квантово-химических расчётов и молекулярной динамики. Также имеется доступ к общеевропейским вычислительным сетям (PRACE, Gauss Centre for Supercomputing).

Образовательная и кадровая деятельность

Подготовка специалистов

UniSysCat активно участвует в подготовке молодых учёных. В рамках центра работает Международная школа катализа (International Catalysis School), которая предлагает магистерские и аспирантские программы. Ежегодно проводится летняя школа по катализу, собирающая до 100 участников со всего мира.

Привлечение талантов

Центр реализует программу «UniSysCat Fellowships» для постдоков и старших исследователей. Также существует программа «Visiting Scholars», позволяющая приглашать ведущих учёных из других стран на срок от 1 до 6 месяцев.

Взаимодействие с промышленностью

Партнёрства

UniSysCat поддерживает связи с крупными химическими и энергетическими компаниями, такими как BASF, Bayer, Evonik, Shell и Siemens. Совместные проекты включают разработку катализаторов для синтеза аммиака, метанола, а также для процессов гидрирования и окисления.

Трансфер технологий

Центр имеет собственное патентное бюро, которое занимается оформлением и коммерциализацией изобретений. За первые пять лет работы было подано более 50 патентных заявок. Некоторые технологии, например, катализаторы для расщепления воды, были лицензированы стартапам.

Критика и вызовы

Научная критика

Некоторые эксперты отмечают, что UniSysCat, несмотря на значительные достижения, пока не смог предложить катализаторов, которые бы кардинально превзошли существующие промышленные аналоги. Например, разработки в области синтеза аммиака при низких температурах всё ещё далеки от коммерческой реализации.

Организационные проблемы

В 2022 году в СМИ появились сообщения о задержках в финансировании некоторых проектов из-за бюрократических процедур. Также отмечалось, что интеграция между кластерами (особенно между экспериментальными и теоретическими группами) остаётся недостаточно эффективной.

Этические аспекты

Работы по созданию катализаторов для расщепления воды и синтеза аммиака потенциально могут быть использованы в военных целях (например, для производства взрывчатых веществ). Руководство центра заявляет, что все исследования проводятся исключительно в мирных целях и под контролем этических комитетов.

Интересные факты

• Название «UniSysCat» является аббревиатурой от «University of Excellence — Systems Catalysis».
• Центр ежегодно публикует более 200 статей в рецензируемых научных журналах, включая Nature, Science и Journal of the American Chemical Society.
• В 2023 году один из проектов центра (фотокаталитическое получение водорода) был признан одним из 10 лучших инноваций года по версии журнала «Chemistry World».
• UniSysCat является одним из немногих центров в мире, где одновременно изучаются гомогенный, гетерогенный и биокатализ в рамках единой программы.

Источники

• Официальный сайт UniSysCat (unisyscat.de)
• Отчёт о промежуточной оценке центра (2023 г.)
• Статья «UniSysCat: A New Era for Catalysis Research» в журнале «Angewandte Chemie» (2020)
• Информация на сайте Берлинского технического университета (tu.berlin)
• Публикации в журналах «Nature Catalysis» и «Chemical Reviews» (2021–2024 гг.)