Это не преувеличение. Полимеры повсюду: они вокруг и внутри нас. Нет, не только у тех, кто случайно проглотил колпачок от фломастера. Мы все состоим из полимеров – этих очень прочных и в то же время пластичных веществ. Может быть, поэтому мы такие выносливые?
Фото: Javier Jaén, barrons.com
Что можно сделать из одного кубометра дров?
– Вот твои варежки – думаешь, они из шерсти? Не-а! Елка! А вот мой шарф…
– Тоже елка?
– Нет, сосна…
Жаль, что на этом месте повариха из советского фильма «Девчата» Тоська Кислицына убежала, не дослушав лекцию сердцееда-ударника Ильи о том, что можно сделать из одного кубометра дров. Она не узнала, что шерсть и мех для одежды, автопокрышки, бумагу, вискозный шелк для платьев, различные виды пластмасс и много-много других полезных вещей в той или иной степени производят из целлюлозы – самого распространенного в мире полимера.
Где же об этом и говорить, как не на лесоповале, в окружении деревьев, которые на 90–95 % сухой массы состоят из полимеров: целлюлозы, лигнина и пентозанов!
Согласитесь, растения – это не первая ассоциация, которую вызывает слово «полимеры». Скорее в памяти всплывают пакеты в супермаркете, столики в пляжных кафе или корпус ноутбука. То есть что-то очень ненатуральное. Однако что может быть более естественным, чем ДНК? Эта молекула – носитель генетической информации обо всех живых организмах, и она тоже полимер. Как и РНК – хранилище наших биологических данных, и белки – драгоценный строительный материал, из которого состоят живые существа.
Есть и другие драгоценности среди полимеров: алмаз, горный хрусталь, рубин, сапфир. А еще не такие сверкающие, но не менее важные хитин в панцирях раков и креветок, шелковые нити в коконах гусениц, крахмал в картошке и кукурузе, кожа, шерсть, каучук, янтарь.
Молекулярный роман дрозофилы
Все эти столь не похожие друг на друга вещества объединяет одно: они строятся по одинаковому принципу – полимерному. Это название получилось при сложении греческих слов polla («многие») и meros («часть»). Потому что полимер – это большая молекула, состоящая из множества кусочков-мономеров (греч. monos – «один»).
Спиралевидный «портрет» ДНК всем знаком. ДНК построена из мономеров – нуклеотидов: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Они объединены попарно, и эти пары все время повторяются внутри макромолекулы ДНК. Таких пар в ее составе может быть от нескольких тысяч до миллиардов. Например, чтобы записать ДНК человека, нужно больше 6 млрд нуклеотидов. Если представить каждый нуклеотид в виде буквы, то получился бы роман размером как 2,4 тыс. четырехтомников «Война и мир». А вот ДНК мухи-дрозофилы – это всего 21,4 эпопеи Толстого.
Большое количество мономеров – отличительная черта полимеров, из-за чего их называют высокомолекулярными соединениями (ВМС). В составе одних – повторяющиеся звенья одинаковых мономеров. Они как жемчужное ожерелье: все бусины одинаковые. Такие ВМС называют гомополимерами (от греч. gomos – «подобный»). Например, полиэтилен – это многократное повторение группы атомов углерода и водорода -CH₂-CH₂-. И так n раз, то есть формула полиэтилена будет выглядеть как (CH₂-CH₂)ₙ. Условно у всех гомополимеров структура такая: ААА…, где А – это обозначение мономерного звена.
В других случаях ВМС включает несколько типов мономеров, то есть в составе «бус» будут разные детальки. Скажем, известный полисахарид гиалуроновая кислота включает «бусины» двух типов: N-ацетил-d-глюкозамин и D-глюкуроновую кислоту. Так что формула этого полимера будет сложнее: (C₁₄H₂₁NO₁₁)ₙ.
Кстати, вы в курсе, что гребень петуха почти на 100 % сухой массы состоит из гиалуронки, а человеческий глаз – на 80 %?
Такие вещества с различными типами «бусин»-мономеров называются гетерополимерами (греч. geteros – «другой»). Причем их звенья не обязательно будут повторяться в строго определенном порядке, они могут располагаться и хаотично.
Если обозначить разные мономеры буквами А, В, С, D, то можно проиллюстрировать это так. У одних полимеров (регулярных) составляющие их блоки чередуются с четкой последовательностью: например, САСАСА или DВАDВАDВА. А у других (нерегулярных) такой системы нет: АВАССDВВDD.
Скажем, целлюлоза – это гомополимер, «бусы» из десятков тысяч остатков молекул глюкозы, поэтому формула ее выглядит как энное число этих мономеров: (C₆H₁₀O₅)ₙ. А РНК и ДНК – гетерополимеры, их формулу так просто изобразить не удастся (помните про миллиарды букв?).
Видов полимеров – бесчисленное множество, ведь группы атомов в их составе могут складываться в самой разной последовательности, а значит, можно экспериментировать, создавая все новые и новые вещества.
Отдельно стоит заметить, что многие из них, будь они получены искусственным путем, воспринимались бы нами как пластики. Возьмем ту же древесину: тонкие изделия из нее легко пружинят и гнутся (лук), потому что полимерные цепочки ее компонентов позволяют материалу деформироваться без разрушения химических связей – и частично возвращать исходную форму, когда деформирующая нагрузка снята.
Когда б вы знали, из какого сора…
Только очень незначительная часть окружающих нас полимеров – биологического происхождения. Их искусственные «двоюродные братья» в чистом виде в естественной среде не встречаются, а получаются при обработке природных полимеров. Например, добавление к хлопковой или древесной целлюлозе уксусной кислоты дает ацетат целлюлозы, а проще говоря – ацетатное волокно. Из него изготавливают ацетатные ткани, пластмассы, покрытия для таблеток и многое другое. А при взаимодействии природного каучука (застывший сок дерева гевея, фикуса или одуванчика) с серой при высокой температуре получается резина – более пластичный, прочный и устойчивый к износу материал. Если вы автомобилист, то наверняка знаете о вулканизации – это она и есть.
Но самые популярные полимеры – синтетические, то есть те, которые производят путем синтеза мономеров. Скажем, если взять газ этилен и под давлением соединить множество его мономеров в одну макромолекулу, то получим полиэтилен. Похожим образом из другого газа, пропилена, делают полипропилен. Эти синтетические полимеры – самые распространенные в мире: на полиэтилен приходится больше 60 %, на полипропилен – 26 % потребления среди всех ВМС. Из них производят пленку для упаковки, трубы, изоляционные материалы, одноразовую посуду, канистры, ведра, игрушки, детали для бытовой техники, автомобилей, самолетов, подводных лодок – всего не перечислишь.
Синтетические ВМС научились делать лишь сто с небольшим лет назад. Американский химик Лео Бакеланд искал, чем заменить шеллак – экскременты самок насекомых-червецов, которые обитают в тропиках Азии. В застывшем виде эти фекалии в начале XX века использовали для производства граммофонных пластинок и электроизоляции. Но такая биосмола была очень дорогой, потому что собирать ее непросто, да еще в больших количествах, и везти далеко. В 1909 году Бакеланд придумал первый в мире синтетический пластик, воздействуя формальдегидом на фенол при высокой температуре и с участием щелочных катализаторов (например, каустической соды). Ученый назвал его в свою честь – бакелитом.
Бакелит обладал невероятными для того времени свойствами: он выдерживал нагрев до 300 градусов Цельсия, не растворялся даже в кислоте, был очень легким и прочным. Прочность бакелитового листа на растяжение – больше 100 МПа. То есть он не разорвется, если на квадратный сантиметр бакелитовой пластины подвесить штангу в 100 кг. А если сжимать его, то, чтобы сломать тот же квадрат, потребуется штанга массой больше 250 кг. Это сопоставимо с прочностью обычных видов стали, но только бакелит в семь раз легче.
Поэтому бакелит мгновенно завоевал мир: из него стали делать не только грампластинки, но и телефонные аппараты, детали для транспорта, бытовой техники и даже украшения. Потом, с изобретением новых видов пластика, бакелит отошел на задний план, но его используют до сих пор.
Впрочем, и шеллак не забыт: например, его применяют в производстве лаков, красок, зубных протезов, им покрывают фрукты, чтобы они лучше хранились (поскребите яблоки – увидите восковой слой шеллака), из него часто делают покрытие для таблеток и конфет. Так что, если найдете в составе лекарства пищевую добавку Е-904, вспомните о самках червецов.
Что делать с пластиковым Нью-Йорком?
До XX века люди, по большому счету, просто использовали природные полимеры в их естественном виде: делали пряжу из шелковых и шерстяных волокон, бумагу из целлюлозы, украшения из алмазов и сапфиров. Эти вещи оставались такими же натуральными, как и вещество, из которого их изготовляли, поэтому вреда от биополимеров было не больше, чем от остальных элементов природы.
Но синтетические и искусственные полимеры оказались вовсе не такими безобидными. Ведь люди стремились придать материалам нужные им качества: увеличить прочность, долговечность, устойчивость к внешним воздействиям. Кроме того, природные полимеры (ту же целлюлозу) бактерии и грибки учились разлагать сотни миллионов лет – а «свежие», искусственные полимеры для них в новинку – поэтому разлагать их они не спешат. Так люди сами для себя устроили ловушку: изготовить пластик теперь труда не составляет, а вот избавиться от него – задача непростая.
Причем не важно, из чего они произведены: из ископаемых углеводородов, как 99 % всех современных пластиков, или из биополимеров. Например, полиэтилен можно сделать не только из добытого под землей газа, но и из сахарного тростника – путем гидролиза и дальнейшей ферментации сахара. И это будет тот же самый долговечный полиэтилен, ничуть не более экологичный.
Учитывая, что человечество выдает на-гора 400 млн тонн пластиковых отходов в год, получается, что каждые два года мы производим пластикового мусора массой почти со все здания Нью-Йорка, а за три года – четыре пластиковых Москвы! На Земле уже скопилось около 7 млрд тонн такого мусора, а к 2050 году, по подсчетам ученых, его масса вырастет до 26 млрд тонн. Если так пойдет дальше, скоро мы попадем в окружение полигонов, состоящих из полимерного мусора.
Переработка не спасет: во-первых, она подходит далеко не для всех полимерных отходов. Скажем, тюбики, в которые фасуют крем и зубную пасту, пустить на вторичное использование почти невозможно. В их составе помимо пластика много других компонентов, которые трудно отделить. А если переплавлять в неразделенном виде, получится сырье с непредсказуемыми свойствами. Отправлять на переработку пакеты от чипсов, детского питания и прочего металлизированного пластика мешают слой жира и остатки пищи.
Во-вторых, варианты вторичного использования полимеров очень ограничены. Обычно отсортированные и очищенные отходы измельчают, делают гранулы, из которых производят новые товары. В результате этих процессов меняется структура макромолекул, и качество полимера ухудшается. Этот круг не бесконечен: например, пластиковую бутылку можно перерабатывать не больше десяти раз, причем на каждом новом цикле приходится добавлять в массу свежий, не вторичный полимер, чтобы улучшить качество сырья.
Я тебя разберу на молекулы!
Что же делать? Можно устроить химическую разборку ВМС на отдельные мономеры, которые потом заново пересобрать в полимеры. Тогда число циклов будет бесконечным. Выглядит это так: отсортированные полистироловые стаканчики измельчают, обрабатывают специальными растворителями или катализаторами в условиях высокой температуры – и получают отдельные мономеры стирола. А из них, как из бусин, собирают новый полистирол для стаканчиков.
Для разных видов полимеров деполимеризация будет немного различаться, но принцип схожий.
Другой вариант – сразу выделять твердые полимеры из груды пластиковых отходов. Для этого их с помощью растворителей переводят в жидкое состояние, из которого выпадают в осадок твердые полимеры.
Но вот беда: поскольку связи между деталями полимерных «бус» очень прочные (именно поэтому сами полимерные предметы обладают таким же свойством), то для разрыва этих связей требуется огромное количество энергии, а процесс расщепления оказывается очень сложным и дорогостоящим. Проще создать новый полиэтилен или полистирол, чем добывать сырье из бутылок и пакетов.
Вскипяти стаканчик
Но логичнее выглядит другой путь: создавать такие ВМС, которые сами распадались бы на безвредные составляющие под воздействием окружающей среды.
Для этого отлично подходят биополимеры, так как их природное сырье уже само по себе разлагаемое. Наука довольно далеко продвинулась в этом направлении. В качестве сырья чаще всего используются крахмал, полигидроксиалконоаты (продукты переработки растительного сахара) и полилактид (полиэфир, состоящий из мономеров молочной кислоты).
Например, индонезийская компания Avani Eco предлагает «просто закопать» одноразовую посуду, которую она делает из багассы – сухих волокнистых остатков сахарного тростника. Так же можно поступить и с бумажными стаканчиками, которые производитель обрабатывает сделанным на основе крахмала полимером, чтобы они не промокали. Через несколько месяцев эта посуда превратится в перегной, уверяет Avani Eco.
Китайская компания JJG Biodegradable Product обещает, что стаканчики, произведенные ею из растительного крахмала, полностью разложатся на безопасные для природы элементы за 45 суток. А пакеты чилийской фирмы SoluBag, сделанные на основе известняка с добавлением поливинилового спирта, просто растворяются в воде. Одни пакеты достаточно просто намочить, другие нужно залить кипятком. «Все, что остается в воде, – это углерод», – уверяют создатели этой упаковки.
Разумеется, далеко не всегда обещания разработчиков совпадают с реальной картиной: некоторые компании пытаются выдать за «биопластик» обычный полиэтилен, полученный из мономеров, добытых из растений. Такие полимеры не будут разлагаться в природе нормально – поэтому важно отделять рекламные заявления от реального состава того, что производитель называет «биодеградируемыми пластиками».
Иногда применение биоразлагаемых полимеров в прямом смысле жизненно важно – например, в медицине. В Томском государственном университете разрабатывают материалы на основе полилактидкликолида, который синтезируется при помощи соединения мономеров гликолевой и молочной кислот. Созданные из этого вещества объекты рассасываются в организме в течение двух-четырех лет. Это значит, что хирургам не нужно делать пациенту повторную операцию, чтобы удалить крепеж, фиксирующий импланты. Другой материал на основе лактида разлагается всего за десять дней. В него, например, упаковывают лекарства, и они постепенно, дозированно проникают в организм, по мере того как оболочка рассасывается.
Приятный бонус: в отличие от нефти и газа, мировые запасы которых ограничены, природные полимеры никогда не закончатся. Ведь, скажем, молочную кислоту можно извлекать из фактически бесплатных отходов кукурузы. А сырье для изготовления биоразлагаемых пакетов – крахмал и пектин – добывают из овощей, фруктов и зерновых.
Биологически безвредные полимеры уже давно вытеснили бы углеводородных «кузенов», если бы не высокая цена: пока что продукция, созданная на основе природных макромолекул, чаще всего намного дороже. Но ученые постоянно придумывают, как удешевить технологию. Да и горы пластического мусора все плотнее сдвигаются вокруг нас, подгоняя к созданию новых, безвредных материалов.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
