Материалы будущего среди нас УЖЕ 70 лет…а наука до сих пор продолжает открывать их новые грани. Речь про синтетические полимеры. Большая часть предметов вокруг нас состоит из них: одежда, мебель, строительные материалы... Даже на МКС печатают на 3D-принтере инструменты для ремонтных работ с их использованием.
В популярной компьютерной игре Atomic Heart от российских разработчиков, одним из главных элементов повышения способностей героя выступает нейрополимер — материал, получаемый из поверженных противников. По сценарию игры биополимеры, внедрённые в организм, могут изменять ДНК, кодируя клетки организма под определённые задачи. Полимеризация вкупе с нейросетью позволяет там управлять робототехникой одной лишь силой мысли и мгновенно обучаться различным вещам, например, квантовой физике или иностранным языкам.
Считаете это всё безбашенной фантазией разработчиков игры? Как бы не так! Те, кто до сих пор считает, что полимеры — это лишь полиэтиленовые пакеты и пластмассовые тазики, отстали от жизни.
Вы слышали про искусственные кости, биоразлагаемые материалы, синтетическую кожу? Это тоже материалы на основе полимеров. Не зря и природа положилась на них: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты — это натуральные полимеры. Они составляют главную часть сухой массы растений, животных и человека.
Человек с незапамятных времен использует природные полимеры. Кожа, шерсть, мех, хлопок, натуральный шелк, каучук и другие содержащие природные полимеры материалы применялись для изготовления одежды, обуви и других важных для жизни изделий. Но в 20-е годы прошлого столетия с развитием химической науки и техники на смену натуральным пришли синтетические полимеры. Они появились, как ответ на рост потребностей человечества: численность его росла, а требования к качеству жизни — повышались. Полимеры не просто заменяют традиционные древесину, стекло, металл, они во многом превосходят их. Полимеры стали основой для создания новых конструкционных материалов с уникальными свойствами.
- Например, полимерные коммунальные трубы долго служат — до 100 лет! (для сравнения: стальные трубы — 20-30 лет). Потери тепла через них меньше, а значит ниже углеродные выбросы, что важно для климатической стабильности. А еще полимерные трубы нужно реже обновлять, а значит, они позволяют меньше сократить или исключить ежегодные летние отключения горячей воды.
- Другой пример: по данным ООН, ежегодно около 30% производимого в мире продовольствия теряется или выбрасывается во время сбора урожая, его хранения и транспортировки, а также в ходе сбыта и потребления. Глобальная экономика теряет из-за этого порядка 1 трлн долларов ежегодно, а также впустую расходует ресурсы и усиливает нагрузку на окружающую среду. По некоторым прогнозам, к 2030 году, потери продуктов на душу населения должны сократиться вдвое. Достичь этой цели помогут, в числе прочих, полимеры. Современная полимерная упаковка позволяет в разы увеличить сроки хранения продуктов. Обладающая наибольшими барьерными свойствами она способна препятствовать проникновению газов (таких как кислород, углекислый газ), водяного пара и посторонних запахов. Стабильная атмосфера внутри такой упаковки способна предотвратить развитие пагубных микроорганизмов и сохранить продукты для безопасного потребления.
Много плюсов и в самом процессе производства полимеров. Синтетические полимеры изготавливают из побочных продуктов нефтепереработки. Если 20 лет назад их сжигали на огненных факелах возле месторождений, то теперь вместо парниковых газов мы получаем современные материалы для других сфер жизни. Полимер — это молекула, состоящая из сотен или даже миллионов. повторяющихся фрагментов. Благодаря разному количеству звеньев удобно получать соединения с желаемыми характеристиками.
Несмотря на слабую способность к разложению пластиковые изделия в процессе производства выделяют меньше парниковых газов по сравнению с альтернативными материалами. А за счет вторичного использования изделий из пластика и многократных циклов переработки полимеры позволяют сократить объем природных ресурсов, идущих на производство необходимых благ. В этом смысле полимеры можно считать материалами будущего: удельное потребление энергии на производство вторичного пластика составляет не более 15% от энергопотребления первичного производства.
В превосходстве полимеров вы можете убедиться, заглянув на ВДНХ, в павильон «Дом полимеров», открытый одним из крупнейших мировых производителей синтетических материалов компанией СИБУР. Экспозиция павильона в интерактивном формате позволяет отследить, как из попутного нефтяного газа создаются полимерные гранулы, из которых потом производят миллионы изделий от подгузников до компонентов космических кораблей.
Химия, чьи передовые области находятся сейчас на стыке с математикой, ИТ, проектным менеджментом, биологией — одна из ключевых специальностей, способных оказать существенное влияние на развитие человечества, дает при жизни увидеть плоды своих трудов и приблизить более высокотехнологичное будущее. Хорошим доказательством этому стала биография русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, эдакого «Илона Маска» своего времени. Уже к 35 годам (!) он сделал массу выдающихся научных открытий. Помимо всем известной периодической таблицы химических элементов, одним из его достижений была первая попытка в российской истории коммерческого использования полимера.
Новые открытия в мире макромолекул еще только предстоят — для кого-то из читающих этот текст это может стать увлекательным научным и инженерным приключением всей жизни!
По материалам Андрея Винькова и Михаила Бирюкова.