Как из лабораторных экспериментов выросла огромная индустрия? Что такое умные полимеры и как они работают? Почему синтетические материалы стали неотъемлемой частью современной жизни — от одежды и бытовых предметов до медицины и нефтедобычи? Об истории науки о полимерах, о том, как появились «умные» материалы, способные реагировать на температуру, свет и химический состав среды, и с какими экологическими вызовами сталкивается полимерная промышленность сегодня, рассказывает доктор физико-математических наук, академик РАН Алексей Хохлов.
Истоки науки о полимерах
Изучению полимеров и полимерной промышленности исполняется примерно 100 лет. Наука о полимерах началась с работ Германа Штаудингера. Это немецкий физик и химик, который выдвинул гипотезу, а потом ее экспериментально доказал, что многочисленные вещества, такие как каучук, крахмал, резина, состоят из очень необычных молекул. Это длинные цепные молекулы, то есть это не какое-то маленькое образование, а длинные цепочки из атомных групп.
С этим связано то, что они очень легко образуют волокна и пленки, могут достаточно просто принимать заданную форму, поскольку температуры размягчения полимеров не такие уж большие — это 100 °C, для некоторых полимеров — 150–200 °C. Скажем, с металлами вы таким образом поступать не можете, не говоря уже о древесине, которую формовать нельзя. Именно с этим связаны основные технологические особенности, объясняющие, почему полимеры такие простые для изготовления изделий.
Развитие полимерной промышленности в XX веке
В 30-е годы прошлого века были синтезированы, например, нейлон — и это сразу произвело очень большое влияние на публику. Оказалось, что полимерные изделия можно использовать в одежде. Они придают новые свойства одежде. Например, нейлоновые чулки и так далее.
Одновременно активно развивался синтетический каучук. Резиновая промышленность особенно сильно выросла в годы Второй мировой войны, потому что основные плантации натурального каучука были захвачены японцами — это Юго-Восточная Азия. Синтетический каучук стал развиваться и у нас, и в Соединенных Штатах. Многие резиновые изделия, шины, были сделаны из синтетического каучука — это тоже синтетические полимеры.
В послевоенные годы началось бурное развитие различных пластиков. Из них стали делать все больше и больше предметов, которые нас окружают, заменяя материалы прошлого. Эти изделия гораздо дешевле и обладают лучшими потребительскими свойствами, чем те, что были до этого — из дерева или металлов.
Фактически, к 60-м годам прошлого века этот процесс в основном был завершен. Были получены пластики, пластмассы и резины, которые удовлетворяли необходимым механическим требованиям: прочность, модуль Юнга на растяжение и так далее.
Функциональные полимеры
Начиная с этого момента, основное внимание в науке о полимерах и в высокотехнологичной части полимерной промышленности стало уделяться функциональным свойствам.
Самый простой пример — это подгузники. Они адсорбируют большое количество воды или биологической жидкости. Промышленность подгузников начала развиваться в 70-е годы, а у нас они появились в 80-е годы. Как раз в это время у меня появились две дочки. Когда родилась старшая — подгузников еще не было, а когда младшая — уже были подгузники на основании синтетических полимерных гелей.
Второе — проводящие полимеры. Они стали в ряде приложений заменять проводящие металлические или полупроводниковые изделия. Кстати, полупроводники тоже могут быть полимерными.
Также развивались оптические свойства: прозрачные полимеры или, наоборот, полимеры, поглощающие в каком-то диапазоне. Дизайн таких полимеров можно было разработать. Это и есть функциональные полимеры.
Умные полимеры
Уже в XXI веке наука о полимерах и часть высокотехнологичной полимерной промышленности начала говорить об «умных полимерах». Умные полимеры — это полимеры, которые меняют свои свойства в зависимости от внешних условий. Температура — наиболее понятный пример. Также степень освещенности, кислотность (pH) среды, наличие во внешней среде определенных молекул. Если на полимере есть специальные группы, реагирующие на эти молекулы, он может менять свои свойства.
На этом принципе работают полимерные сенсоры. Если речь идет об одежде из полимерных волокон: при высокой температуре окружающей среды поры на одежде становятся больше и пропускают больше воздуха, а при холоде — поры сужаются и пропускают меньше воздуха. Это типичный пример умного полимера.
Мы работали над умными полимерами для нефтяной промышленности. Когда есть нефтяная скважина, туда закачивается некая полимерная жидкость. Ее функция — блокировать водяные слои и свободно пропускать нефть на поверхность. Такие умные полимеры были нами созданы.
Другой пример умных полимеров, с которыми мы работали, — умные окна. Обычно у нас окна из силикатных материалов, но существуют полимерные окна, которые автоматически затемняют комнату при ярком солнечном свете, снижая потребность в кондиционировании. Ночью же они, наоборот, максимально пропускают свет.
Наконец, полимеры используются как носители лекарств. Активное вещество иммобилизуется на полимере, который в некоторых случаях проходит через биологический объект, а в целевых органах высвобождает это вещество.
Биологические полимеры
Самые умные полимеры — это те, которые работают в нашем организме. Мы все состоим из полимеров: ДНК — это длинные молекулярные цепочки, РНК — тоже полимеры, белки — полимеры, полисахариды — тоже полимеры.
Поэтому изучение процессов жизни на молекулярном уровне требует применения идей и методов науки о полимерах. Эти полимеры, которые функционируют у нас в организме, выполняют функции, гораздо более сложные и умные, чем любые синтетические полимеры.
Проблема полимерных отходов
С развитием полимерной промышленности стало понятно, что вместе с производством пластиков увеличивается количество пластиковых отходов, которые в природных условиях разлагаются десятилетиями или столетиями. Утилизация этих отходов — серьезная проблема. В настоящее время в мире производится 400 миллионов тонн полимерных изделий в год. Возможны различные способы утилизации: вторичная переработка, сжигание (поскольку это ценное энергетическое сырье). Эта общая проблема полимерных отходов.
В последние годы (в прошлом году исполнилось 20 лет) был введен термин «микропластик». Это не любые полимерные отходы, а только те, размер которых меньше 5 мм по международной классификации. Любой полимерный объект под воздействием естественных причин рано или поздно распадается на микропластик.
Основные источники микропластика
Согласно международным документам, основным источником микропластика являются волокна, образующиеся при стирке одежды. Наша одежда состоит из синтетических и натуральных волокон. 35% всех частиц микропластика — это результат стирки.
Еще 28% — частицы, возникающие при истирании автомобильных шин. Мы знаем, что шины служат 3–5 лет, потом их надо менять. Почему? Потому что резина, соприкасаясь с асфальтом, оставляет микрочастицы, которые смываются в реки и океан. Таким образом, более двух третей микропластика связаны с этими двумя факторами — стиркой одежды и стиранием шин.
Проблемы борьбы с микропластиком
Можно дать задание полимерной промышленности — создать одежду, которая не изнашивается при стирке, или шины, которые меньше стираются. Но они будут стоить в 10, а то и в 100 раз дороже. Я не думаю, что потребители будут этим довольны.
Специальное внимание к микропластику связано с гипотезой, что он отказывает вредное воздействие на живые организмы. Но мы живем в цивилизации, окруженной загрязнителями. Можно бояться всех этих факторов, а можно осознать, что исключить это влияние мы не можем. Поэтому предложения бороться с микропластиком путем запрета пластиковой упаковки, одноразовой продукции или микропластика в косметике, составляющих мизерную долю всего объема загрязнения микропластиком, — это в основном политические решения, не связанные с научными оценками.
Проблема загрязнения планеты макропластиком действительно существует и требует подходов к решению.
Два направления развития полимерной промышленности
Полимерная промышленность развивается в двух аспектах. Первый — крупнотоннажные полимеры, которых производится 400 миллионов тонн в год. Технология их производства отработана, и основной вызов здесь — экологические проблемы, связанные с отходами. Второй — нишевые высокотехнологичные полимеры, например, композиционные материалы для авиации. Сейчас в современных самолетах полимерных деталей больше, чем металлических.
Требования к механике таких материалов очень высоки. Полимеры с ценными механическими, теплоизолирующими свойствами дороже, но решают специальные задачи. Их производят немного — в пределах нескольких тонн в год, и они практически не влияют на экологическую обстановку.
