Как полимерные материалы формируют современный мир и позволяют двигаться к устойчивому будущему? Какие инновации в медицине, транспорте и энергетике появились благодаря этим материалам? И как новые технологии переработки могут свести их воздействие на окружающую среду к минимуму? Об этом ПостНаука поговорила с академиком РАН, заведующим кафедрой физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Алексеем Хохловым.

От медицины до транспорта: какую роль полимеры играют сегодня

«Наука о полимерах зародилась в 1920-е годы с работ Герберта Штаудингера, немецкого физика и химика, который впервые выдвинул гипотезу о том, что такие вещества, как каучук, крахмал и резина, представляют собой длинные цепные молекулы. Это открытие изменило представления о строении веществ: оказалось, что полимеры обладают уникальными свойствами благодаря своей молекулярной структуре. Они легко образуют волокна и пленки, их можно формовать при сравнительно низких температурах, что сделало их ключевыми материалами в промышленности. В 1930-е годы появление синтетических полимеров, таких как нейлон, произвело революцию в текстильной отрасли, а развитие синтетического каучука стало критически важным в годы Второй мировой войны. Впоследствии полимеры легли в основу множества технологий», — рассказывает Алексей Хохлов. 

Полимеры — неотъемлемая часть современной технологической среды. Они позволяют создавать инновационные решения. Эти материалы спасают жизни и приближают нас к устойчивому будущему с безопасным транспортом и возобновляемой энергией.

Универсальность и биосовместимость полимеров делают их незаменимыми в медицине: от создания имплантатов до разработки систем доставки лекарств. К примеру, биоразлагаемые полимеры, в частности, полимолочная (PLA) и полигликолевая кислоты (PGA), применяются в тканевой инженерии. Они служат каркасами для роста клеток, которые постепенно разрушаются по мере формирования новой ткани. Кроме того, полимеры позволяют создавать гибкие и прочные импланты. Их биосовместимость помогает минимизировать риск отторжения организмом.

До внедрения полимеров медикам было сложно контролировать точную доставку лекарств в организм, которые могли усваиваться слишком быстро, снижая результативность терапии. Полимеры вроде PLGA помогают лекарству добраться точно до цели, не «пролившись по дороге», повышая эффективность лечения и сокращая побочные эффекты.

Полимерные материалы с эффектом памяти формы (shape memory polymers) способны «запоминать» первоначальную заданную форму и возвращаться к ней при воздействии определенных стимулов, например, изменении температуры. Это свойство позволяет ввести биоразлагаемое медицинское устройство (зажим или стент) в организм в компактной форме, после чего оно расширяется внутри тела и помогает хирургам во время малоинвазивных операций.

Без использования полимеров сложно представить развитие возобновляемой энергетики. Так, лопасти ветряных турбин в основном изготавливаются из стеклопластика — полимеров, армированных стекловолокном. В солнечной энергетике полимеры входят в состав органических фотоэлектрических ячеек (OPV). Применение полимеров в качестве светопоглощающих материалов позволяет разрабатывать легкие и гибкие солнечные панели, которые можно наносить на разные поверхности. Полимеры улучшают производительность и надежность аккумуляторов. Например, они позволяют серьезно увеличить срок службы литий-серных батарей, сохраняя их емкость до 85% после 400 циклов заряда-разряда.

В транспортной индустрии полимерные материалы помогают снизить вес и повысить энергоэффективность. В 1965 году средний автомобиль состоял на 85% из металла, а на 2% — из полимеров. Сегодня доля легких полимерных материалов достигает 50%. Уменьшение веса транспортного средства на 100 кг может сократить расход топлива на 0,3–0,6 литра на 100 км и сократить выбросы CO2 до 13 г/км. Кроме того, способность полимеров поглощать энергию удара повышает безопасность транспорта. Так, бампер автомобиля, изготовленный из полимерных композитов с добавлением углеродных нанотрубок, может поглощать на 40% больше энергии по сравнению со стандартными материалами.

Микропластик и отходы: вызовы эры синтетических полимеров

Хотя польза полимерных материалов очевидна, необходимо учитывать:  раз существует пластик — самый популярный и универсальный материал, как следствие его использования накапливаются и пластиковые отходы — во всем многообразии синтетических полимеров. Это — задача, для которой нет универсального решения, но которая требует такого же внимания и технологического развития, как и сама полимерная промышленность. 

Полимеры часто ассоциируются с одноразовыми изделиями, однако на их долю приходится лишь меньшая часть общего потребления. На самом деле значительная часть пластиковых изделий рассчитана на длительное и даже сверхдолговечное использование — от строительных конструкций и автомобильных компонентов до медицинских имплантов и элементов инфраструктуры. Тем не менее любые материалы, и пластик не исключение, вне зависимости от срока службы, в конечном итоге становятся отходами. Важно, что современные технологии позволяют перерабатывать значительную долю полимеров, возвращая их в производственный цикл и снижая нагрузку на окружающую среду. Это делает переработку не просто способом утилизации, а ключевым элементом экономики замкнутого цикла

Среди ключевых путей решения этой задачи — развитие безотходных производств, вроде аддитивных: в 3D-принтерах, например, полимер полностью возвращается в технологический цикл. Кроме того, должна совершенствоваться вторичная переработка, в том числе — за счет новых методов, вроде каталитических. Уже сейчас существуют такие катализаторы — особые вещества, способные ускорять химические процессы, не включаясь в реакцию, которые позволяют «разбирать» полимерные молекулы, чтобы использовать полученные продукты в других процессах без ущерба для экологии. 

Микропластик — одна из тем, вызывающих широкие дискуссии. Однако, вопреки распространенным представлениям, его основные источники связаны не с упаковкой пищевых продуктов, одноразовой посудой или ПЭТ-бутылками.  

В странах Европы и Северной Америки до 40% микропластика попадает в воду от износа автомобильных шин, чуть больше 30% — от стирки одежды (ткани которой содержат полимерные нити), около 20% — из городской пыли, дорожной разметки, корабельных покрытий и портовой деятельности, и лишь 2% — из упаковки и косметических продуктов. Что касается собственно городской пыли, то исследования показали, что в основном она содержит сажу из транспортных выхлопов и частицы шин, а также микрочастицы в форме волокон.

Если говорить об «океаническом» микропластике, то здесь ощутимый вклад вносят сети и снасти, которые десятилетиями сбрасывают браконьеры, пойманные на хищническом незаконном лове. Не стоит забывать и про отходы с морских судов и выбросы оффшорной промышленности. 

Часто можно услышать, что пластик вреден, потому что он «не разлагается, как природные материалы». Однако это довольно упрощённый взгляд. Например, металл — привычный и вроде бы «естественный» материал — тоже разрушается крайне медленно, и при этом продукты его коррозии (оксиды металлов) могут быть токсичны для почвы, воды и даже человека. В отличие от этого, многие полимеры в правильных условиях можно перерабатывать, сжигать как ценное топливо без вредных выбросов или утилизировать на специально обустроенных полигонах. Так что вопрос не в «естественности» материала, а в том, как мы с ним обращаемся после использования. При этом мы говорим о несравнимых количествах: ежегодно производится около 2 миллиардов тонн стали, а пластика — 400 миллионов, в 5 раз меньше.

«Проблема микропластика на самом деле не так страшна, как часто представляют — больше беспокойства вызывает загрязнение крупными полимерными отходами, — объясняет Алексей Хохлов. — Значительная часть мусора в мировом океане — это мусор, который просто выбрасывают в океан. Особенно это касается стран с продолжительной береговой линией, таких как Филиппины, где сброс отходов в океан — распространенная практика. Основной акцент следует делать не на сокращении производства полимеров, что в принципе невозможно, а на борьбе с бесконтрольным сбросом отходов, будь то полимеры или строительный мусор, который, кстати, также составляет огромную часть загрязнения».

Перспективы переработки микропластика становятся все более реальными благодаря новым технологиям. В 2024 году китайские ученые представили пену, которая удаляет до 99,8% микропластика из воды, предлагая эффективное решение для очистки водоемов. Кроме того, исследования показывают, что определённые виды бактерий, обитающих в сточных водах, могут модифицировать и расщеплять полимерные цепочки, снижая их молекулярную массу и потенциальную токсичность. Хотя речь не идёт о полном разложении до простых молекул, такие процессы могут стать важным шагом в безопасной переработке пластиковых загрязнителей.

Уже сегодня даже без сложных технологий микропластик возможно удалить из воды обычным кипячением. Алексей Хохлов поделился, что при нагреве воды более 95% микропластика оседает вместе с накипью и выпадает в осадок. Этот процесс естественным образом снижает концентрацию микрочастиц. 

Микропластик как новый антропогенный компонент окружающей среды активно привлекает внимание научного сообщества. Вместо поспешных выводов всё большую роль начинают играть системные исследования, нацеленные на объективную оценку рисков. Если в 2013 году было опубликовано всего 50 статей в научных журналах, то в 2021 году — почти в 50 раз больше (2295). Такой интерес обязательно позволит установить истину и найти действенные способы для решения сложной и многогранной задачи. В любом случае, среди очевидных путей уменьшения нагрузки на природу — совершенствование культуры обращения с отходами на глобальном уровне.

Замкнутый цикл и новые технологии: каким будет полимерное будущее

Полимеры помогли построить современный мир. Сегодня они помогают увидеть контуры будущего, в котором новые технологии делают жизнь людей лучше. Например, полимерные материалы, меняющие свойства в зависимости от температуры, помогут повысить энергоэффективность зданий. Так, термохромные умные окна в зависимости от температуры самостоятельно регулируют, сколько света они пропускают. Это сокращает потребность в отоплении и охлаждении, снижая потребление энергии.

Прорывы в области электроактивных полимеров позволили инженерам из MIT создать искусственные мышцы, которые могут растягиваться более чем на 1000% от своего размера и поднимать вес, превышающий их собственный в 650 раз. Эти материалы имитируют естественные движения мышц, что может пригодиться в робототехнике и протезировании.

Технологии предлагают и решения проблемы мусора. К примеру, пластиковые отходы можно преобразовать в сырье для 3D-печати. Для этого пластик расплавляется и продавливается через экструдер —  нагревательное устройство для создания нитей для 3D-принтера путем продавливания расплавленной массы через решетки-фильеры особой формы. 

При переработке пластиков действительно может происходить ухудшение механических свойств, особенно при несоблюдении условий сортировки и температурного режима. Однако это не универсальное правило: например, полиэтилентерефталат (ПЭТ), из которого делают бутылки, может выдерживать до восьми циклов переработки без существенной потери качества. Среди возможных решений — правильная сортировка отходов производства нитей при температуре около 190 °C и другие перспективные способы. Например, российские ученые, усовершенствовав ряд способов механической обработки вторичного сырья, сумели добиться увеличения количества циклов переработки до 10 раз. Причем качество полученного продукта оказалось сопоставимым с первичными полимерами.

«3D-печать представляет собой пример безотходного производства: остатки материала можно использовать в следующем цикле, что существенно снижает количество отходов, — отметил Алексей Хохлов. — Другой подход — вторичная переработка полимерных материалов. Например, бутылки из полиэтилентерефталата, если их собирать отдельно, можно использовать более десяти раз без заметного ухудшения потребительских свойств. Также есть возможность извлекать из полимеров ценные химические соединения, что открывает новые горизонты для их повторного использования».

Можно сказать, что полимерное будущее уже совсем рядом. В 2025 году в Британии откроется завод, способный перерабатывать любой тип пластиковых отходов — даже те, которые обычно считаются «неперерабатываемыми» — разлагая их на химикаты, похожие на те, что содержатся в нефти. Затем эти вещества можно перерабатывать в новый пластик, создавая устойчивый цикл повторного использования. Разработанный компанией Mura Technology процесс разрушает пластик с помощью горячей воды (400 °C) под высоким давлением (220 атмосфер). В результате выделяется на 80% меньше CO2, чем при сжигании пластиковых отходов.

Сегодня перед человечеством стоит двойная задача: с одной стороны, использовать уникальные свойства полимеров для медицинских, энергетических и промышленных прорывов, а с другой — необходимы эффективные решения для управления их жизненным циклом. Современные технологии переработки, развитие замкнутых производственных процессов и совершенствование методов утилизации позволяют снизить воздействие отходов на окружающую среду.

ИСТОЧНИК: Постнаука https://postnauka.org/longreads/157680