В нашу жизнь прочно вошли полимеры ― сложные вещества, способные помочь человечеству в решении огромного количества проблем: от сельского хозяйства до создания новых лекарств. Но они же могут и создавать проблемы. Как сделать так, чтобы использование полимеров приносило пользу и не создавало экологических проблем? Об этом мы беседуем с заведующим кафедрой высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, руководителем лаборатории синтеза и исследования свойств полимеров членом-корреспондентом РАН Александром Ярославовым.
Александр Анатольевич Ярославов. Фото Елены Либрик
― Александр Анатольевич, вы сказали, что вам нравится название вашей лаборатории. Почему? Оно отвечает содержанию вашей работы?
― Я бы так ответил на этот вопрос: когда ситуация меняется, то новое руководство лаборатории, кафедры, факультета часто стремится к изменению названия. Я не сторонник этого подхода, если тематика не изменилась кардинальным образом, а требуется просто добавка мелких деталей в название. С моей точки зрения, это не всегда оправдано, потому что утяжеляет картину, добавляет новые слова и теряется преемственность с тем, что делалось раньше.
Название нашей лаборатории сохраняется уже много лет. Оно действительно полностью отвечает содержанию работ, которые ведутся в лаборатории. Мы что-то синтезируем, а потом исследуем, описываем полученный полимер, материалы и пытаемся сделать продукт, который может быть интересен научной общественности. Финальный шаг ― заинтересовать потенциальных производителей результатами нашего труда.
― Поговорим подробнее о достигнутых результатах.
― Каждая лаборатория редко концентрируется на одной теме. Как правило, результатов много у всех лабораторий. Одно из наших направлений связано с использованием полимеров для решения задач сельского хозяйства, рационального природопользования. Проблема в том, что почва, основной источник всех благ на этой планете, при не очень грамотном использовании становится неким внешним покровом, который не может дать продукцию, на которую мы рассчитываем. Одна из причин в том, что верхний слой почвы подвержен процессу эрозии. Ветер и вода вымывают и выдувают почву, в результате чего ее плодородие падает.
― То есть солнце, воздух и вода не всегда наши лучшие друзья?
― Да, можно так сказать. Если подставить себя солнцу-ветру-воде, то это будет неплохо, но если перед этим вы не очень грамотно обошлись с почвой, то возникает проблема, о которой я говорил. Для ее решения используют разные подходы. Мы используем полимерный подход, чтобы вернуть почве хотя бы часть исходного плодородия.
― Как это можно сделать?
― С точки зрения внешнего наблюдателя это выглядит так. Вы берете водорастворимый полимер, организованный определенным образом. Используются один или два полимера, взаимодействующие друг с другом. А еще они умеют взаимодействовать с частицами почвы. Попросту говоря, они скрепляют частички почвы, в результате чего на поверхности возникает покрытие, которое после высушивания представляет собой корку. Если ставить этот эксперимент в стаканчике, то это покрытие напоминает медаль, ее можно достать. Она производит впечатление вполне материального объекта. У меня даже есть мысль дарить такую медаль как сувенир.
― Надеюсь, торжественно?
― Обязательно. С нашими коллегами мы проделали большую экспериментальную работу. Сейчас мы ведем работу с разными потенциальными потребителями этой технологии, и интерес к ней довольно большой. Поэтому мы надеемся, что в ближайшее время это материализуется. Пока эта работа находит поддержку в форме грантов: мы получаем господдержку, чтобы довести технологию до уровня, который позволил бы говорить о технологии. Хотя, с нашей точки зрения, мы ее уже практически держим в руках.
― А что происходит с почвой помимо образования такой «медали»?
― Первый повод для беспокойства заключался в том, не превратится ли верхний слой почвы в некое подобие бетонного покрытия. Кому такая почва будет нужна? Но, по счастью, с обработанной почвой этого не происходит. Мы регулярно делаем фотографии с помощью электронного микроскопа, чтобы можно было проанализировать структуру покрова, и видим, что после обработки растворами полимеров структура почвы практически не меняется. Точно так же вы видите поры между частичками, они не склеены. Это совсем не похоже на ситуацию, когда вы заливаете сыпучий материал (почву) очень вязким раствором, который толстым слоем покрывает поверхность и полностью меняет ее морфологию. Структура поверхности полностью сохраняется. Только отдельные частички деликатно склеены друг с другом. Почва сохраняет воздухо- и влагообмен, посаженные растения чувствуют себя хорошо.
― А вы пытались их сажать?
― Много раз. У нас очень плодотворные контакты с факультетом почвоведения, это наши коллеги, работающие рядом. Они тестируют наши рецептуры. Мы, физикохимики, можем подобрать структуру полимера, синтезировать его, протестировать свойства с точки зрения устойчивости в различных средах. Но нам обязательно нужен партнер, который будет смотреть на эти системы в реальных условиях: на почве, в поле. Сейчас у нас несколько проектов, и мы тестируем их на довольно больших площадях, чтобы посмотреть, как все это будет себя вести не просто в реальных условиях, а даже в разных климатических зонах.
― Каковы результаты?
― Предварительные результаты очень оптимистичны. С этой работой тесно связана другая, имеющая отношение к тем же полимерам, о которых мы говорим. В зависимости от того, какое сочетание полимеров вы подберете, вы можете использовать полученные композиции уже в другом направлении ― для получения бактерицидных покрытий, которые вы можете нанести на любую поверхность и придать ей способность убивать вредные микроорганизмы, садящиеся туда.
― А полезные?
― При таком подходе особой дифференциации нет. Будет погибать все. Но мы ведем речь о тех микроорганизмах, которые наносят ущерб человеку.
― А чем это отличается от бактерицидных пластырей?
― Многими показателями. То, что мы делаем, ― это универсальный способ, который позволяет наносить биоцидное покрытие на любую поверхность. Можно обрабатывать стены, потолки, полы, любые помещения, где есть опасность заражения патогенными микроорганизмами. Больница ― это те самые помещения, где такой способ может быть востребован. Особо дружелюбными эти рецептуры становятся после того, как слушатели узнают, что растворы сделаны на воде, поэтому не надо беспокоиться о неблагоприятном воздействии на кожу или неприятном запахе. Все, что происходит после нанесения на поверхность, ― она подсыхает, образуется корочка.
― Что там, кроме воды?
― Полимеры, которые нас интересуют. Химическая формула несущественна, потому что можно найти много разных полимеров, обладающих этим свойством. Здесь важно, чтобы полимер после растворения в воде приобрел высокий положительный заряд, выполняющий роль биоцидного компонента. В этом смысле конструкции, которые мы делаем, лишены избирательности. Поэтому разрушаться будет все, что прилипает к этой поверхности. В этом случае нам нужно избавиться от патогенных микроорганизмов. И когда на такую поверхность с большим количеством положительных зарядов садятся подобные микроорганизмы, они попадают в неприятную для них среду. В некоторых случаях они заглубляются в покрытие. Такое комплексное воздействие приводит к эффективному уничтожению микроорганизмов.
― А что, если делать маски с таким покрытием?
― Хороший вопрос. Это одно из возможных направлений использования таких полимеров. Можно также обрабатывать одежду, создавать разные защитные материалы, применять их на стадионах, торговых площадях, складах.
― С кем еще вы сотрудничаете в этом направлении?
― В этом направлении мы тоже взаимодействуем с нашими коллегами с факультета почвоведения. Здесь их интерес заключается в том, чтобы приготовить рецептуры для стабилизации почвы, обладающие наименьшей активностью по отношению к почвенным микроорганизмам. И мы можем рекомендовать такие композиции.
― С биофаком, с факультетом фундаментальной медицины не пытались договориться, чтобы провести подобные эксперименты на живых организмах?
― Вы правы, у университета в этом смысле богатые возможности. Есть целый ряд факультетов, куда можно обратиться, чтобы они оценили возможность использования тех или иных рецептур. Пока у нас интенсивный контакт с почвоведами, начинается взаимодействие с факультетом фундаментальной физико-химической инженерии. Эти контакты позволяют привлекать студентов для проведения этих исследований. Это те люди, которые при правильной подготовке могут грамотно использовать полученную информацию и быть ее распространителями. Для нас это важно.
― Вы сами при порезах и других травмах не пробовали применить такую поверхность?
― Нет, мы ставили другие эксперименты. Многим из нас известна плесень. У нас есть хороший контакт с почвоведами и Институтом микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, там есть лаборатория, где находится «зверинец» микроорганизмов, интересных для проведения конкретных экспериментов. Эти возможности мы активно используем.
― И как ведет себя эта плесень?
― С точки зрения экспериментатора — хорошо. Она начинает гораздо менее активно себя вести, и этот способ позволяет решить проблемы локального уровня. Мы хотим превратить это в технологию, которая была бы использована уже на бóльших пространствах. Вообще, мне очень нравится такой подход, когда есть некий набор полимеров и при правильной их комбинации вы можете предложить готовую рецептуру для решения той или иной проблемы. С большой вероятностью положительный результат будет в том или ином направлении. Для получения рецептур можно использовать индивидуальные полимеры (полимеры в чистом виде). Некоторые добавки могут усилить биоцидный эффект.
Еще одно направление, которое для нас тоже интересно, касается использования полимеров в медицине. Речь, прежде всего, идет о биосовместимых и биодеградируемых полимерах, которые не наносят вреда организму, напротив ― демонстрируют набор полезных эффектов. Полимер может связывать разного рода биологически активные компоненты, выступая в роли некоей емкости, наноконтейнера, внутри которого содержится все то полезное, что необходимо организму в данный момент. Такое концентрирование лекарства может усилить его действие, тогда можно говорить о получении более эффективного лекарственного вещества. Такие системы могут реагировать на некий стимул. Вы заставляете двигаться вещество, которое вы сделали, в нужное место в организме.
Александр Анатольевич Ярославов. Фото Елены Либрик
― Каким образом?
― Есть разные способы. Мы используем один из самых простых ― придаем этой частичке магнитные свойства, и тогда с помощью внешнего магнита вы можете доносить это до какой-то области организма, концентрируя таким образом в небольшой зоне и повышая эффективность действия конструкции в целом. Эти работы мы ведем со специалистами в области клеточной биологии. Есть отдельные эксперименты с привлекательными результатами на экспериментальных животных.
― Что это за вещества?
― По статистике, около 80% разрабатываемых лекарств так или иначе направлены на решение задач, связанных с лечением онкологических заболеваний. Эта тема чрезвычайно актуальна, это одна из главных проблем современного общества.
Но это не единственное направление, в котором мы работаем. В полимерную матрицу можно внедрить разные биологически активные компоненты. Это открытая платформа. Она хороша тем, что вы «принимаете заказ» и можете включать требуемое лекарство внутрь этого контейнера.
Одна из практических полезных целей, которую удается при этом решить, заключается в том, что многие лекарства обладают очень плохой растворимостью в воде. Если использовать естественную среду, то растворимость оказывается очень низкой и, как следствие, низкой становится и биодоступность. Приходится добавлять больше лекарства или придумывать не очень удобные способы иммобилизации этих веществ в носителях.
Выясняется, что полимеры могут помочь в решении этой задачи. При правильном подходе растворимость этим веществам можно придать путем инкапсулирования в полимерных частичках. Таким образом вы повышаете концентрацию вещества внутри частицы и делаете всю конструкцию пригодной для потребления организмом.
― Александр Анатольевич, а что это за красивые тарелочки на столе?
― Они имеют отношение к проблеме, с которой мы начали разговор. Дело в том, что полимерная рецептура может быть использована не только для решения практической задачи в сельском хозяйстве при структурировании почвы и придания ей тех свойств, которые она потеряла. Полимеры могут скреплять все что угодно, а главное ― они обладают липучестью к малым частицам. Это их основная функция. Системы, на которые вы обратили внимание, иллюстрируют эту идею.
Первый пример касается способа фиксации сыпучего материала (почвы). В данном случае вы видите песок, обработанный полимерной рецептурой. Потом ему дали возможность подсохнуть. Если бы до обработки вы взяли эту чашку Петри и просто ее перевернули, то оттуда бы все высыпалось. Сейчас я ее переворачиваю ― и ничего не высыпается.
― Это прямо-таки фокус для школьников!
― Именно так. Когда моя дочь ходила в школу, однажды она вернулась домой со словами: «Нам надо выполнить проект ― показать нечто, что было бы нам понятно, произвело впечатление и указало бы на то, что с помощью предлагаемого приема можно решить какую-то серьезную задачу». На что я сказал, что для четвертого класса это, может быть, и многовато, но подходящий пример могу привести. Дочь выслушала с интересом и на следующий день пошла в школу с чашкой Петри и песком.
― Хорошо, когда есть такой папа!
― Она сказала, что было очень интересно, и получила свою заслуженную пятерку. Я был рад тому, что информация оказалась доступной и вызвала интерес у людей, которые вырастут и запомнят, что есть простые способы решения важных задач.
― Ваша дочь запомнила?
― Да, но занимается другим. Она будет филологом. Но если человек может грамотно описать проблему, то через какое-то время ей можно будет поручить написать текст на эту тему.
Продолжим. Это условный пример, который имеет отношение к структурированию почв. Когда мы поняли, что можно скрепить любые частицы, возник образ, имеющий отношение к совершенно другой области. Называется эта область «рекультивация мусорных свалок». Этой проблеме стали уделять большое внимание. До последнего времени мусора было меньше, но сейчас он стал лавинообразно расти.
― Едешь по МКАД ― и стоят горы, уже поросшие деревьями.
― Верно. Когда этот мусор скопился, его надо куда-то деть. Самый простой способ ― складирование на свалках (мусорных полигонах). Это не лучший выход. Теряется территория, которую можно использовать для совершенно других целей. Кроме того, правильно организованная свалка ― серьезный инженерный проект. Через 20 лет свалка должна быть рекультивирована. За это время она становится очень большой и высокой. И что с ней делать?
― Может быть, пора устраивать восхождение на свалку, как на Эльбрус?
― Вполне реально. Часто свалки достигают высоты 40–60 м. И склоны свалки часто бывают достаточно крутыми. Казалось бы, туда вполне можно направлять скалолазов. Но склоны эти рыхлые. И для того чтобы решить эту проблему, их надо закрепить.
Разработаны разные методы, но главный ― выращивание разного рода растений. Они могут быть внешне неказистыми, но у них должна быть мощная корневая система, и она должна развиваться быстро. Обычно наносят семена растений, а дальше делают все, чтобы растения прижились.
Это удается не всегда. Тогда свалка может развалиться и картина станет совсем удручающей. Но если вы одновременно с нанесением семян поливаете почву полимерной рецептурой, то можете сохранить семена под полимерной коркой. Корка не мешает семенам пробиваться, но предохраняет их от выдувания, вымывания и защищает от птиц.
Таким образом вы можете решить и «свалочную проблему». Но это не единственный способ борьбы с мусором. Надо думать о возможностях переработки мусора в новые материалы.
― Сейчас много говорится о рециклинге полимеров…
― К этой теме мы тоже оказались привлечены, потому что, если этого не сделать, тогда свалка превратится в источник все более мелких частиц, в микропластик, который может быть оттуда вымыт, выдут. Он в итоге попадает в моря и океаны и формирует мусорные острова, о которых сейчас много говорят в научных изданиях и средствах массовой информации. Казалось бы, одна простая полимерная рецептура, один простой подход, но много приложений.
― В народе есть выражение «профукали все полимеры». Правильно ли я понимаю, что эту проблему вы сейчас пытаетесь решить?
― Проблема есть, она многогранна. Активная фаза использования полимеров началась после Второй мировой войны, до этого было десятилетие между двумя мировыми войнами, когда появились первые синтетические полимеры. Многие полимеры, которые сейчас используются в качестве многотоннажных, были впервые синтезированы между войнами.
Считается, что большая часть промышленно выпускаемой полимерной продукции представлена ограниченным числом полимеров ― от 6 до 30. Синтезированных полимеров гораздо больше. Но это полимеры специального назначения, которые нужны в небольших количествах для решения конкретных задач. Кроме того, полученные в лаборатории полимеры демонстрируют возможности синтетической полимерной химии. Эти результаты найдут применение в будущем.
С 50-х гг. прошлого века началось «триумфальное шествие» полимеров. По разным оценкам, произведено порядка 8–9 млрд т полимеров. За это время было сожжено 10%, еще 10% переработано в те или иные продукты, 80% попало на свалки. И эта картина оптимизма не вызывает. Поэтому нужно что-то делать с уже имеющимися свалками и не допустить появления новых.
― Что будет, если ничего не менять?
― В литературе приводятся такие оценки. К 2050 г. будет произведено порядка 25 млрд т полимеров. Если мы будем собирать мусор теми же темпами, как это делаем сейчас, то сможем уменьшить его (и переработать) на 7%. Разрыв внушительный.
― Москва и Подмосковье превратятся в горную местность…
― Нужны активные способы воздействия на эту ситуацию. Сейчас они разрабатываются на международном уровне. Думаю, что какие-то изменения здесь будут. Мы тоже начали движение в этой области: раздельный сбор мусора ― необходимая часть этой процедуры. Мусор недостаточно сложить в пакет. Это даже не полдела, это вообще не дело. Если пакет потом попадает в общую кучу, то никто не будет его там разбирать. Нужно прививать и культивировать мысль о правильном отношении к использованным полимерам, которая требует больших усилий. Поэтому та история, которую я рассказал про четвертый класс, кажется мне очень показательной. Начинать разговор нужно с людей этого возраста. Или даже с детского сада. Вот тогда эта информация будет постепенно закрепляться в сознании, будет возникать понимание того, что мы ответственны за мир, в котором живем. Конечно, можно рассматривать его как простое вместилище, из которого мы можем перейти в другой мир, где будет почище. Но другого вместилища у нас нет.
― Николай Семенович Кардашев любил говорить, что мы перейдем в другую вселенную, лучше нашей. Но пока до этого очень далеко.
― Я не специалист в этой области. Я читал много фантастических романов на эту тему. Сама идея мне кажется интересной, но насколько она будет реализуема технически?
― Мне кажется, если мы будем подходить так к вопросу ― загадим этот мир, перейдем в следующий, и так до бесконечности, ― ничего у нас не получится. А если мы научимся сохранять свой мир чистым и прекрасным, тогда нам, может быть, откроются другие миры.
― Это абсолютно верный подход. Более того, он единственно возможный. Вы правы ― за собой надо убирать. Это вполне понятный принцип. Каждый из нас, живя в своей квартире, так и поступает. Старается, по крайней мере. И этого принципа надо придерживаться после того, как вы переезжаете из одной квартиры в другую.
Поэтому, возвращаясь к нашей теме, мы видим, что, с одной стороны, полимеры ― это огромное благо. Некоторые горячие головы призывают жить без полимеров. Но это нереально. Сейчас, куда ни посмотри, мы видим полимеры. Они окружают нас со всех сторон. Мало того что они обладают набором очень полезных свойств, они ради этого и создавались, ― у них есть еще одно замечательное свойство, которое во многом определяет жизнестойкость «полимерного мира»: это дешевый материал. Трудно представить себе, что производители и потребители пластика откажутся от него.
― Полимеры ― это состоявшийся факт, и наша задача ― научиться с ними жить. Верно?
― Да. В мире есть много неприятных и даже опасных вещей. Но люди так или иначе научились с ними справляться. Здесь надо сделать то же самое. Надо понять, что полимеры превращаются в мусор и эту проблему нам нужно решать. Способы известны, и здесь должны согласованно действовать все: ученые, технологи, управленцы. Население должно быть информировано о состоянии дел в полимерной области. Необходима та категория специалистов, которая превращает эти знания и достижения в продукт для широкого обсуждения. Вы, журналисты, это делать умеете. Поэтому наша задача ― изложить ситуацию так, чтобы вызвать у вас интерес, который вы превратите в информацию для широкой аудитории.