Как полимеры захватили мир

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 %?

pxhere.com

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.

Лео Бакеланд, allthingsbakelite.com

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.

Журнал Life за 1955 год. Американская семья празднует начало «жизни на выброс», запущенной благодаря одноразовым пластиковым изделиям. Увы, они оставляют значительную часть пластиковых отходов, в которых сегодня захлебывается наш мир. Фото: Peter Stackpole, Life Magazine, u.osu.edu

Если бумага, даже очень плотная или специально обработанная офисная, размокнет и перегниет в земле максимум за два года, то обычный полиэтиленовый пакет пролежит нетленным 200 лет. А пластиковый стаканчик и бутылка сохраняются до 1000 лет.

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.

Даже такие однородные предметы, как бутылки и стаканчики, порой подводят: при их некачественной очистке получается бракованное вторсырье.