Цивилизация
— Когда сегодня говорят о полимерах, подразумевают в основном искусственные материалы. Но есть ведь и полимеры естественного происхождения. В целом, что представляют собой полимеры и когда их научились синтезировать?
— Полимеры — это длинные молекулярные цепи из групп атомов. Этот факт открыл и обосновал в 1920 году немецкий химик Герман Штаудингер, позднее он получил за это Нобелевскую премию. Он выдвинул гипотезу, что вещества, которые в то время не могли отнести ни к какому классу — целлюлоза, крахмал, белки, резины, — состоят из длинных молекулярных цепочек. С этого момента началось бурное развитие науки о полимерах. В 1930-е годы уже строились первые заводы по производству крупнотоннажных полимеров — полиэтилен, полипропилен, полистирол, тогда же был изобретен и нейлон. В годы войны очень много внимания уделялось синтетическому каучуку.
В 1950-е годы американские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли двойную спираль ДНК, и выяснилось, что полимеры играют важнейшую роль в том, что мы называем жизнью.
Мы сами состоим из полимеров, и полимеры ДНК, РНК, белков и полисахаридов составляют основу любой живой системы.
Алексей Хохлов
Николай Галкин/ТАСС— Где искусственные полимеры используются сегодня?
— Почти все, что нас окружает — это фактически полимеры. Пластмассы, резины, волокна, почти все пленки, лаки, краски, клеи, одежда, упаковка — везде используются современные материалы, которые отличаются от тех, что были вокруг нас буквально сто лет назад.
— Чем синтетические полимеры отличаются от естественных?
— В созданных человеком полимерах есть С-С связь — связь между двумя атомами углерода в этой молекулярной цепочке. Она очень прочная. А практически во всех природных полимерах есть более слабые связи, например эфирные С-О — кислорода и углерода, пептидные и т.д. И в природе за миллионы лет эволюционно наработаны механизмы для разложения естественных полимеров.
Для синтетических полимеров таких механизмов нет. Они очень медленно деградируют в естественных условиях.
Поэтому возникла проблема полимерного мусора, и она становится все более актуальной.
– Она действительно выражена настолько, насколько о ней обычно говорят?
– Основная часть полимерного мусора просто сбрасывается в моря или реки, и поскольку многие полимеры легче воды, это все смывается в океан. С 2005 года загрязненность океана полимерными отходами выросла примерно в пять раз. Образовались громадные острова полимерного мусора, с которыми непонятно, что делать. Помимо больших кусков полимеров, есть так называемый микропластик — фрагменты пластика размером менее 5 мм. На них могут концентрироваться вредные вещества, которые находятся в воде.
Потом этот загрязненный микропластик едят рыбы, а мы едим рыб. В будущем это может сильно сказаться на здоровье людей.
Наука сейчас встала перед такой проблемой: что делать с этим полимерным мусором, как его оптимальным образом утилизировать, чтобы не загрязнять нашу планету.
— Почему тогда нельзя перейти на биополимеры? Есть ведь, например, посуда из кукурузного крахмала.
— Правильнее будет говорить о биоразлагаемых полимерах — их ведь тоже можно создать искусственно. Но полностью перейти на них не выйдет в первую очередь потому, что это экономически невыгодно. Большинство тех синтетических полимеров, которые сегодня используются, очень дешевы в производстве. Можно заменить, например, в пластиковые пакеты на бумажные, но это не получится для большей части пищевых упаковок.
Полностью биоразлагаемые полимеры не смогут заместить синтетические. Этого бы не выдержала никакая экономика.
Во-вторых, мы используем синтетические полимеры именно потому, что они прочные. Никому не нужны, например, автозапчасти, которые рассыплются через три года.
— Но что-то же ими можно заменить без особого ущерба экономике и потребительским свойствам?
— Я думаю, с помощью биоразлагаемых полимеров можно заместить 10-15% небиоразлагаемых. И это уже делается — те же бумажные пакеты в магазинах. Но мы не сможем заместить абсолютно все. Пакет у вас бумажный, а в нем вы несете йогурт, который в пластике. Чем его заменить, стеклом? Стекла не так много. Когда-то в СССР выпускалась молочная продукция в стеклянных бутылках, которые потом сдавали, но очень быстро им на смену пришла упаковка на основе искусственных полимеров.
— Гели — это тоже полимеры? Где они применяются?
— Гели, в том числе микрогели — это полимеры. Как естественного происхождения, так и искусственного, и последние, конечно, используются намного чаще. В гелях молекулярные цепочки сцеплены между собой и образуют что-то вроде сеточки. Микрогели — это маленькие кусочки этих сеточек.
И гели, и микрогели сегодня тоже используются очень широко. Простейший пример синтетического геля, который используется в быту — это наполнитель подгузников, он обычно делается на основе полиакриламида и полиакриловой кислоты. Такой гель действительно очень хорошо все впитывает.
– А если говорить о более масштабном применении?
– Гель можно использовать, когда нужно зафиксировать какое-то вещество в почве. Когда была катастрофа на Чернобыльской АЭС, там возникла сразу проблема — нужно было не допустить, чтобы радиоактивная пыль разносилась ветром. Академик Виктор Александрович Кабанов тогда предложил использовать гели, которые впитывают воду и покрыть ими поверхность зараженного участка местности. Этим методом удалось действительно решить данную проблему.
Этот же прием используется в засушливых районах — в почву добавляется гель, он впитывает в себя влагу в тех редких случаях, когда идет дождь, и очень медленно ее выделяет.
Это используется в сельском хозяйстве. Когда строили тоннель под Ла-Маншем, для стен использовали материалы с включениями микрогеля, чтобы они впитывали ту влагу, которая там возникает за счет движения воды в почве. Для очистки воды при разливах нефти тоже используют микрогели, — они помогают собрать все загрязнения, чтобы потом их можно было удалить из воды.
— В медицине ведь гели тоже используются?
— Да, но это уже не такое крупнотоннажное применение. Помимо гелей, которые наносятся на кожу, есть гели, которые выступают в роли носителя для препарата. Когда вы принимаете его внутрь, то, что находится внутри геля достаточно медленно выделяется. В результате лекарство действует пролонгировано — то есть, гораздо дольше.
— Проблемы с гелями те же, что и с остальными полимерами?
— Конечно. Природные гели разлагаются. Такие, из которых делают подгузники — нет. Есть достаточно много предприятий, которые производят вторичную переработку этих материалов. Но это сложно, это же не просто гели, они внутри упаковки, поэтому нужно еще их сначала отделить.
Естественными или биоразлагаемыми материалами эти гели заменить можно, но они будут хуже работать. И, опять же, гораздо дороже стоить. Вы готовы покупать подгузники в 10 раз дороже? Я думаю, что вряд ли.
— И как тогда бороться с накоплением полимерного мусора?
— Надо учиться утилизировать те полимеры, которые есть. В проекте по созданию безотходных производств полимеров и полимерных материалов с программируемым сроком службы, который я возглавляю, есть направление, посвященное изделиям на основе полилактидов — это полимеры молочной кислоты. Они искусственные, но тем не менее они достаточно хорошо биоразлагаются.
В принципе, использование биоразлагаемых добавок в используемые полимеры — это один из методов минимизации проблемы, связанной с загрязнением планеты.
Другой способ — это вторичная переработка полимеров. Если тщательно проводить сортировку, то часть полимеров можно вторично переработать. Классический пример — это бутылки для воды. Это полиэтилентерефталат, его можно вторично перерабатывать много раз. Есть технологии, которые не дают отходов, например 3D-принтинг. Принтер просто формирует ту деталь, которую нужно, а оставшийся материал использует для следующей. У нас есть несколько проектов, связанных с 3D-печатью изделий, например печать из полиимидов и их производных. Методом послойного наплавления можно создавать, в частности, высокопрочные эндопротезы сложной геометрии.
— Но ведь бесконечное число раз пластик перерабатывать все равно не получится?
— Да, все это только отдаляет момент, когда полимер идет на свалку. В конечном итоге его либо надо сжигать и загрязнять атмосферу, либо отправлять на свалку и загрязнять водную среду. Сейчас, впрочем, есть хорошие катализаторы, которые при сжигании нейтрализуют наиболее вредные соединения. И даже есть мусоросжигательные заводы в Европе, которые совершенно не загрязняют атмосферу. Но все-таки основная часть идет либо вообще в океан или реки, либо на свалку. А на свалках он так или иначе проникает в почву, попадает в грунтовые воды и в конечном итоге опять-таки в водоемы.
— Бороться с пластиком в океане как-то возможно?
— Можно, например, создавать композиты обычных полимеров с небольшой примесью. Либо биоразлагаемого крахмала, либо неорганических соединений, которые делают полимерные пластиковые изделия тяжелее воды. Тогда они по крайней мере будут оседать, не будут так легко смываться в океан. Разные есть методы.
Но это большая и важная проблема, которая в настоящий момент наукой в общем-то не решена.
Человечество столкнулось с проблемой пластикового мусора не так давно, говорить об этом стали где-то последние 15-20 лет. Но эта проблема, с моей точки зрения, не менее важная, чем проблема климата. Воды на Земле вроде бы много, но у нее уже такая степень загрязненности, что мы очень скоро можем столкнуться с коллапсом водных экосистем. И проблемы начнут нарастать экспоненциальным образом.
— Вы упомянули проект, посвященный полимерам. Какие еще разработки велись в его рамках?
— У нас было 20 научных групп, которые вели работу по трем основным направлениям: управляемо разбираемые материалы, цифровые безотходные технологии и природозащитные полимеры и технологии. Управляемо разбираемые материалы программируемым образом распадаются на безопасные компоненты, которые потом можно использовать для тех или иных задач. Цифровые безотходные технологии позволяют минимизировать количество отходов в процессе производства полимерных изделий. В рамках третьего направления разрабатывались полимеры для оборудования свалок и очистки воды.
— Удалось ли получить результаты, которые можно применять на практике?
— Результатов много, все и не перечислить. Если говорить об управляемо разбираемых материалах, был создан метод переработки полиолефинов — класса полимеров, к которым, в частности, относится полиэтилен.
В сверхкритическом диоксиде углерода под давлением, добавив кислород, удалось получить из них уксусную, муравьиную, пропионовую кислоты и другие вещества, которые в дальнейшем можно использовать в химической промышленности.
Также — материалы на основе полилактидов. Композиты на основе полилактидов и борной кислоты позволяют не только создавать биоразлагаемую упаковку, по окончании срока службы эту упаковку можно использовать в качестве удобрения. Борная кислота важна в сельском хозяйстве для повышения урожайности, борьбы с насекомыми и грибками. А переработанная на удобрение упаковка будет пролонгированно выделять ее в почве.
— Каким образом можно использовать полимеры для оборудования свалок?
— Когда жизненный цикл свалки подходит к концу, ее засыпают землей.
Чтобы эта земля не вымывалась и не подвергалась эрозии из-за ветра, в нее можно добавлять полиэлектролитные комплексы, которые будут удерживать ее.
Мы разработали комплексы из катионных и анионных полимеров, которые позволяют формировать такую защитную полимер-почвенную корку. С одной стороны полимеры закрепляют почву, с другой — не мешают прорастать растениям, а также удерживают в почве необходимую для них влагу.
— Проект уже завершен? Есть ли дальнейшие планы по развитию разработок?
— Проект длился с конца 2020 года по 2022 год. Сейчас решается вопрос о том, будет ли он продолжен. Два года — это не срок для крупного прикладного научного проекта. Если он продолжится, мы предполагаем двигаться дальше в уже начатых направлениях. А там, где уже получилось добиться конкретных результатов — доводить дело до производства опытных образцов и заключения договоров с промышленными предприятиями. Многие из полученных результатов можно реализовать на практике и внедрить.