Как только не называли двадцатый век, щедрый на научные достижения! Один из главных титулов, который присвоили учёные столетию,— век полимеров. Действительно, полимеры сегодня повсюду, в обиходе мы называем их пластмассой или пластиком. Порой кажется, что ничего серьёзнее полиэтиленового пакета, садовой лейки или мухобойки из них не выйдет. Но это не так.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5. Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Полимеры — это уникальный класс химических веществ, которые можно назвать венцом эволюции неживого мира. Эти вещества обладают поразительным разнообразием, изменчивостью физических свойств, структуры и химического состава. К полимерам относятся не только такие вещества как пластик, но и белки, которые являются строительным кирпичиком нашего организма,— полисахариды типа целлюлозы, ДНК и РНК, программирующие наследственность в живом мире. Это неживая материя, которая получила способность самовоспроизводиться, размножаться, передавать информацию именно благодаря способности полимеров быть изменчивыми.

Полимеры — удивительные вещества. Это органические молекулы, в которых одни и те же звенья (мономеры) повторяются очень и очень много раз.

В большинстве своём, полимеры состоят из 4 элементов: водорода, углерода, кислорода и азота. В их состав могут входить и другие элементы, но основными являются 4 названных. Как будто кубики LEGO, эти 4 элемента могут воспроизвести тысячи и сотни тысяч различных веществ. Причём от последовательности кубиков зависит, какими именно свойствами будут обладать материалы. Например, капроновые колготки состоят из полимера, который красив, тонок и очень не прочен. А вот начинкой для бронежилетов является вещество кевлар — полимер, обладающий прочностью в 5 раз выше стали. И колготки, и бронежилеты состоят из 4 элементов, весь фокус лишь в том, как правильно собрать полимерное LEGO.

Мир полимеров поразителен и он окружает нас везде. Наши телефоны состоят из полимерных экранов и батареек, генерирующих энергию за счёт полимеризации (реакции образования полимеров). Одежда, в которой мы сегодня ходим, сделана полностью или частично из полимеров, которые не только продлевают срок её службы, но и делают её теплей, прочней и при этом тоньше. Да и в нашем организме есть полимеры в виде жизненно важных белков. И самая знаменитая молекула в человеке — ДНК, это биологический полимер, содержащий информацию не только о нас, но и обо всех наших предках, возможных болезнях, способностях и талантах. Сегодня мы попытаемся приоткрыть занавес этого поразительного мира перед вашим пытливым умом на примере двух полимеров.

Молекулярная структура алмаза

Начнём с простого. Как «работают» обычные металлы? Металлы — это кристаллы, в которых тяжёлые ядра с нейтронами и протонами зафиксированы, а вот крошечные электроны — носители отрицательного заряда, двигаются от одного ядра к другому, создавая этакое «море электронов». Это называется металлической связью. Чтобы заставить металлы передавать электричество, нам нужно всего лишь создать поле: с одной стороны наладить отрицательный электрод — катод, с другой положительный — анод. Тогда под воздействием внешнего поля отрицательно заряженные частички анионы, в нашем случае это электроны, согласно золотому правилу «противоположности притягиваются», устремятся в сторону анода, создавая электрический ток. Положительно заряженные частички, в данном случае оставшиеся после электронов «дырки», называются катионами, они устремятся в сторону отрицательно заряженного катода. Такая система называется замкнутой, но стоит одному из электродов отодвинуться, и наше «море» снова будет волноваться, но уже никуда не потечёт. 

Нанотрубка

Способность металлов проводить электрический ток называется электропроводностью. И именно это свойство понадобилось разработчикам Samsung в конце 90‑х годов прошлого века, чтобы создать идеальные экраны. Дело в том, что нынешние экраны (в частности, сенсорные) состоят из нескольких слоёв: стекла, соединительного слоя и схемы. При нажатии пальцем эти слои должны образовывать замкнутый цикл. То есть нужен был такой материал, который проводил бы электрический ток между стеклом и схемой. Но вы можете себе представить экран, который пропитан металлом? Металлы хороши всем, кроме одного: они непрозрачны. А значит, разработчикам Samsung нужно было придумать совершенно новый материал, который бы и электричество проводил, и прозрачным был. Такой материал нашёлся быстро: еще в 70‑х годах ХХ века японский учёный Хидеки Ширакава случайно обнаружил полимер, который проводил электричество. По сути, это был давно известный всем полимер — полиацетилен.

Конечно, вас может удивить, как полимеры, они же пластики, вдруг стали проводниками электричества. Но давайте взглянем на принцип проводимости в полимерах. Полиацетилен состоит из атомов углерода и водорода (СН)_х. Атомы углерода связаны между собой одинарными и двойными связями. При такой последовательности углероды, как бусинки в ожерелье, скрепляются одинарными связями, а вот двойная связь может перетекать от одной пары углеродов к другой. Подобное перераспределение связей, когда двойная и одинарная связи образно превращаются в две полуторные, принято называть сопряжением. И благодаря этому явлению в нашей ниточке углеродов появляется «русло», по которому потекут электроны. 

В опыте, который проводил Ширакава, полимер, вероятно, получился идеальным, ведь если строгая последовательность одинарных и двойных связей прервётся, то река электронов пересохнет, и электрический ток пропадёт. Позже были получены другие полимеры, обладающие не одним руслом для электронов. За 20 лет с момента создания первого «органического металла» и до момента, когда компании стали искать новые материалы для сенсорных экранов, было найдено множество полимеров с подобными свойствами. Всё, что нужно было сделать промышленникам, это разработать технологию на основе уже известного полимера, тогда компания получила прибыль, Ширакава — Нобелевскую премию, а мы с вами — экраны самого лучшего качества.

Как вы думаете, где ещё могут применяться органические металлы? Сенсорные экраны — это раз. Есть ещё идеи? Давайте исходить из того, что мы уже знаем. Органические металлы — это длинные органические молекулы, которые могут передавать электрический импульс. Ничего не напоминает? Именно так можно охарактеризовать наши нейроны, заменив слово «молекулы» на слово «клетки». По сути, органические металлы — это тот компонент, которого не хватало искусственным мышцам. Из них можно делать биосенсоры, вживлять их в новую мышцу и… домашний Франкенштейн готов.

К тому же органические сенсоры, как и всё, что связано с электричеством, тесно связаны с теплообменом. У обычных металлов есть такое свойство: если нагреть кусок металла на одном конце, то электроны с нагретой стороны начнут быстрей двигаться, и в какой-то момент они начнут скапливаться на более холодной стороне. Так появится напряжение и, соответственно, электричество. Этот эффект называется эффектом Зеебека. И используется он в создании термоэлектрогенераторов — механизмов, которые вырабатывают электричество при разнице температур. Термоэлектрогенераторы (ТЭГи) являются таким же перспективным источником зелёной энергии будущего, как солнечные батареи, но применение их может варьироваться от огромной электростанции в центре Сахары (сами понимаете, чем больше разница между температурой воздуха и самого ТЭГа, тем лучше) до джинсов, которые будут заряжать ваш телефон от тепла вашего тела.

Многие идеи люди заимствуют у природы. Мы летаем, как птицы, в самолётах и на парапланах. Мы плаваем, как рыбы, со специальными ластами. Мы видим в темноте, как кошки, с помощью приборов ночного видения. Мы очень многое хотим делать из того, что нам не дано, и для этого мы изобретаем. Это изобретение мы одолжили у самих себя.

Все замечали, как кожа сама заживает после получения незначительной раны. А вот при падении телефона на нём остаются царапины Неужели нельзя придумать вещество, которое «заживало» бы как человеческая кожа? Оказывается, можно. Так, в начале 2000‑х годов в мире появились первые самозаживляющиеся полимеры. По сути, это давно известные полимеры, но секрет кроется в том, как их «собрали». Учёные из университета Иллинойса придумали помещать в слой полимера А микрокапсулы с веществом Б. Микрокапсулы сделаны из механически нестабильного вещества, то есть такого, которое рассыпается при любом прикосновении. Тогда в процессе образования царапин такие микрокапсулы лопаются, и вещество Б, которое является мономером и легко полимеризуется под воздействием внешней среды, выливается в свежую царапину. Например, когда такие полимеры стали наносить на поверхность космических кораблей, то мономер Б был подобран таким образом, чтобы реакция полимеризации мгновенно начиналась под действием ультрафиолетовых лучей. 

Такой процесс воздействия УФ-лучей называется катализом, а сами лучи выступают в роли катализаторов — ускорителей химической реакции. Когда этот же полимер наносят на автомобили, то в качестве мономера Б выбирают такое вещество, которое активно полимеризуется под воздействием кислорода. Без кислорода, который будет выступать в качестве катализатора, мономер Б будет просто находиться в царапине, но никогда не заживит её.

Интересно, что, комбинируя самозаживляющиеся полимеры с другими, учёные научились получать не только краски для машин и защитные слои для телефонов, но и «пуленепробиваемые машины». На самом деле, пуля пробивает такие машины, но секрет в том, что корпус сделан из очень тягучего полимера. Для наглядности проведём эксперимент: попробуйте ручкой продырявить лист бумаги и воздушный шарик. Вы увидите, что на бумаге дырка будет больше, чем на воздушном шарике, а всё потому, что шарик, который изготавливается из латексного полимера, тянулся до последнего. Так вот, корпус пуленепробиваемых машин сделан из ещё более тягучего полимера, а потому дыры от пуль получаются очень и очень маленькими и мономер Б, находящийся между двумя слоями стенок, в считанные секунды закрывает их.