Scienty

Вокруг нас много вещей, выполненных из полимеров. От упаковок и инструментов до деталей машин и одежды – всё это полимеры. За сто лет наука о полимерах прошла путь от дискуссий о возможности их существования до огромной отрасли промышленности. Без пластиков нам уже трудно обойтись: в ближайшем будущем точно, а в дальнейшей перспективе – скорее всего, не представляется возможным.

Как велика наша зависимость от полимеров и сколько их выпускает мировое промышленное производство? Политическая подоплека вопроса о загрязнении планеты пластиковыми отходами – тормоз решения проблемы. Какими должны быть полимеры будущего, и что материаловеды черпают из природы? Об этом в интервью с профессором, доктором химических наук, руководителем лаборатории инженерного материаловедения МГУ имени М.В. Ломоносова Дмитрием Анатольевичем Ивановым.

Различные периоды истории человечества именовались по используемым материалам: каменный век, бронзовый, железный. В какой век приходится наше время?

Мы живём в веке полимеров. Иногда его называют веком пластика, что не совсем верно с точки зрения человека, занимающегося полимерными материалами, но достаточно точно отражает основной материал, окружающий нас в повседневной жизни и активно используемый в промышленности. Полимерные изделия встречаются практически везде, от одежды до авиастроения и изделий для космоса. Например, это композитные крылья для отечественного среднемагистрального пассажирского самолета МС-21, различные покрытия, изоляции и корпуса устройств… В современных автомобилях доля полимеров достигает 30%, причем это не только изоляция и детали отделки, но даже элементы двигателя.

Полимерная отрасль стремительно развивается, предлагая широкий спектр материалов с разнообразными функциями.
В общих чертах полимеры – это прочные и легкие материалы, высоко ценимые за свои механические характеристики.

Специалисты во время поездки в ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского рассказали о том, что в испытаниях композитные крылья продемонстрировали лучшие характеристики по сравнению с металлическими.

В науке известно, что нить из высокоориентированного полиэтилена прочнее стали на единицу веса. Полимеры состоят из длинных органических молекул — высокомолекулярных соединений с большой молекулярной массой, обычно образующих линейные цепочки. Если все цепочки ориентировать в одном направлении, получится высокоориентированный полимер, обладающий рекордными механическими свойствами.

― Как долго длится век полимеров?

Примерно сто лет назад. Следующий период отмечен возникновением полиэтилена — искусственного пластика, не встречающегося в природе. Произошло это до Второй мировой войны, и совсем недавно весь мир праздновал эту веху.

Герман Штаудингер, немецкий профессор, считается родоначальником полимеров. Всю жизнь он старался доказать существование полимеров и их способность образовывать упорядоченные структуры. С этого момента началось развитие отрасли, которая сейчас составляет значительную часть химической промышленности и используется в самых разных сферах.

Вначале полимеры применялись в основном для изоляции проводов, текстиля и упаковки. Сейчас большую часть упаковочных материалов составляют полиолефины — класс полимеров, включающий полиэтилен и полипропилен. Из них изготавливают 90% всей упаковки, а общее их производство составляет примерно половину современного производства всех синтетических полимеров.

Синтетические полимеры — результат нефтехимического синтеза, производство которого сопровождается негативными последствиями для окружающей среды. Общественность всё чаще обсуждает проблемы экологии, связанные с переработкой, вторичным использованием и загрязнением планеты отходами из полимеров. В настоящее время мировая промышленность ежегодно производит около 400 миллионов тонн полимеров, а к середине века эта цифра может возрасти до 1,5 миллиардов тонн. Необходимы решения, которые позволят утилизировать и перерабатывать эти отходы.

― Ученые видят возможные решения?

Это сложная проблема, решение которой усложняется её политизированностью. К примеру, сейчас обсуждается проблема микропластика — отходов, незаметных глазу, которые попадают в организм вместе с пищей и водой, а затем могут попасть в кровоток и так далее. Пока наука не определённо знает, к каким негативным последствиям может привести микропластик в организме. Очевидно, что тема политизирована, поэтому подходить к решению вопроса нужно здраво.

Помимо искусственных полимеров природа создает большое количество природных, например, целлюлозу. Её производство природным путем значительно превосходит общемировой выпуск синтетических полимеров. Следовательно, в природе естественного происхождения больше микропластика, чем микропластика от нефтехимических полимеров.

Есть различие в вреде микропластика естественного и искусственного происхождения?

Я не медик и не могу дать детальный ответ. Поскольку ученые продолжают искать на него, то ответа пока нет. Проблема выявилась недавно, многое требует изучения. Видно, что тему опасности пластика часто используют для получения политических и экономических выгод.

Кому-то необходимо избавиться от определённого полимера из-за давления производителя другого полимера на соответствующие структуры. В Европе приняли решение отказаться от поливинилхлорида. Его использовали в производстве изоляции для проводов и покрытий, а также делали мешки для плазмы крови. Чтобы убрать его с рынка, формировали негативные мнения — например, что из-за содержания хлора он токсичен. Но высокомолекулярные соединения (к которым относятся синтетические полимеры) как правило не могут быть токсичными. Хлор в составе поливинилхлорида химически связан, а сам полимер нерастворим в воде. Многие другие соединения гораздо токсичнее, особенно те, которые мы вдыхаем или растворяются в воде. Да, при горении поливинилхлорида выделяются токсичные вещества, но при горении полиэтилена их выделяется не меньше.

Замена поливинилхлорида другими полимерами привела к добавлению компонентов, более вредоносных, чем тот вред, который приписывался первому полимеру. Например, для достижения сходного уровня прозрачности в мешках для плазмы крови потребовалось ввести дополнительные вещества. Это демонстрирует, как политическое решение может повлиять на судьбу конкретного полимера.

В настоящее время большое внимание уделяется биоразлагаемым пластикам, например, полилактиду, получаемому из растений. Однако выращивание кукурузы вместо пшеницы для производства полилактида может обострить проблему мирового продовольствия. Полный переход к биоразлагаемым пластикам не является решением существующих проблем.

Прежде всего следует предлагать комплексные решения. Потребление нефти на производство полимеров составляет лишь 7%, а не большую её часть, как может показаться. Пластиковый мусор присутствует на планете, в юго-восточной части Тихого океана формируется мусорный остров. Под воздействием солнечной радиации и соленой воды возможно образование токсичных продуктов. Будущее человечества неразрывно связано с пластиками, отказаться от их производства невозможно.

Требуется замкнутый цикл экономики: при изготовлении полимеров нужно учитывать срок эксплуатации изделий, возможную переработку в первый и второй раз, а также упаковку и захоронение отходов. Сегодня российские ученые и международное сообщество специалистов по материалам обсуждают этот вопрос на высоком уровне и предлагают интересные решения по переработке и утилизации мусора. Возможно компактно собрать весь плавающий мусор и затопить его в глубоководной части океана, чтобы он больше не был проблемой.

В проблеме загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами политика оказывает сильное влияние. Ученым необходимо самостоятельно рассуждать о действиях, которые реально решают проблему, отличая их от тех, что носят коммерческий характер.

На смену эпохе полимеров придёт что-то новое.

Я считаю, что человечество больше никуда от полимеров не уйдет, это важнейший шаг в развитии нашей цивилизации. Были предположения о существовании ранее более развитых цивилизаций с технологиями, недоступными нам сейчас. Однако, на мой взгляд, отсутствие остатков пластиковой продукции при раскопках делает маловероятным существование таких технологий в прошлом, поскольку создание полимеров — это естественный этап развития.

Примерно половина нашего состава состоит из полимеров, как и большая часть окружающего нас мира за исключением почвы и гор. Все живые существа тоже состоят из полимеров, а разработчики новых материалов часто вдохновляются природными процессами, которые совершенствуются миллионы лет.

Биомиметика — создание искусственных материалов, по свойствам приближающихся к природным, становится все более актуальной. Развитие этой области науки будет активным в будущем, поскольку человечество извлекает уроки из природы. Природа обладает огромным опытом и способностью создавать невероятно сложные системы, недоступные для нас на данный момент.

Каким натуральным материалом с необычными характеристиками человек пока не может воссоздать в лабораторных условиях?

К сожалению, до сих пор мы не можем искусственно создать ни одну часть человеческого тела, которая хотя бы отдаленно приближалась по свойствам к естественным. Например, кожа – это уникальный материал со сложным функционалом. На коже сконцентрировано огромное количество разных рецепторов, она способна передавать различные сигналы, начиная от электрических и заканчивая оптическими, защищает внутренние органы от механических повреждений, радиации, температуры, воздействия химических веществ… И мы пока еще бесконечно далеки от создания такого многофункционального материала, который может быть интегрирован в организм человека. Но природа активно все это использует, поэтому в развитии этого направления я вижу огромный потенциал. Пока сделано только маленькое продвижение – создан материал, который по механическим свойствам отдаленно приближается к свойствам мягких тканей, не только кожи, но и мышц, жировой или соединительной ткани. Раньше не было полимеров, которые даже отдаленно могли воспроизводить такие свойства.

Функциональность и свойства всех полимеров имеют определённые ограничения. Полимерные цепочки, подобно ниткам в клубке, постоянно переплетены друг с другом. Начиная с некоторой критической длины, они образуют зацепления – физические узлы или петельки. Это оказывает влияние на формирование механических свойств, поскольку расплав полимера представляет собой не только вязкую жидкость, но и упругий материал. Упругие свойства появляются именно благодаря таким зацеплениям. Однако мы не контролируем процесс их образования, поэтому не можем создать материал с заданной мягкостью.
Это невозможно из-за самопроизвольного запутывания линейных цепочек природой, работая только с ними, нельзя получить новые свойства.

Наука о полимерах вышла на новый этап развития, где архитектура макромолекул становится более сложной: от линейных цепей к так называемой щеточной архитектуре. Возникла возможность «пришивать» маленькие отростки на основную линейную цепь, что кардинально меняет свойства полимеров. С помощью таких молекулярных конструкций можно приблизиться к миру живого и воспроизвести свойства сверхмягких материалов, например жировой ткани. В этом я вижу новый виток развития: постепенно усложняя синтетические подходы, мы всё больше контролируем структуру полимеров и можем сознательно создавать сложные архитектуры с нужными свойствами.

Тогда полимеры остаются, но развитие идёт по направлению к биологической похожести?

Рассмотрим взгляды людей на развитие науки о полимерах в прошлом. В 1967 году американский фильм «Выпускник» демонстрировал оптимистичное мнение: выпускник колледжа спрашивает наставника, чем ему заниматься дальше. Тот отвечает: «Пластик». К концу 1960-х годов считалось, что человечество будет создавать все больше полимеров для конкретных задач. Такие примеры существовали: популярность чулков из нейлона и тефлонового покрытия сковородок с антипригарными свойствами. Представлялась пирамида производства, где более высокотехнологичные полимеры вытесняли ширпотреб. Однако реальность оказалась иной: ширпотреб приобретал новые качества за счет дешевого производства и отвоевывал место у высокотехнологичных полимеров. Сегодня уникальные полимеры занимают небольшую долю этой пирамиды.

Высокотехнологичные полимеры, в особенности для биомедицинских приложений, будут развиваться, несмотря на сложившуюся ситуацию. Новые технологии окажут существенное влияние на нашу жизнь. Создание биомиметических полимеров и новых поколений имплантов не останется незамеченным.

В университете «Сириус», где я также заведую направлением «Биоматериалы», запускаем программу по разработке нейроинтерфейсов из синтетических полимеров, похожих на ткани человека. Цель — восстанавливать двигательную активность людей с повреждениями спинного мозга посредством передачи электрических сигналов от неповрежденной части к конечностям. Для этого требуются полимеры, не травмирующие нервную ткань и проводящие электрические или химические импульсы. Планируем создать платформу для передачи сигналов, чтобы человек максимально быстро восстановил двигательную активность. Работа проходит совместно с научным направлением нейробиологии НТУ «Сириус», а в 2025 году начнем создание прототипа нейроинтерфейса для испытаний на животных.

Применение цифровых технологий, включая материалoведение, весьма востребовано сейчас. Каковы ваши прогнозы на будущее?

В материаловедении искусственный интеллект также обретет свое место. Создаются цифровые модели материалов, и анализ больших объемов данных демонстрирует эффективность этой технологии.

Важно знать, где цифровые технологии превосходят человека, а где уступают. Например, искусственный интеллект вряд ли сделает открытия новых материалов. Работа с существующими данными не даст ему этого. Креативность и опыт живых учёных всё ещё незаменимы для прорывных решений.

Важно помнить о накоплении и создании новой информации; постоянное изучение одного и того же малоэффективно. Для этого нужны новые научные инструменты. В нашей работе часто применяем объекты класса мегасайенс: мощные рентгеновские источники ― синхротроны. Объединяя рентгеноструктурный анализ с другими физико-химическими методами, создаем условия для быстрого получения информации. Разрабатываем методы экспресс-анализа материалов, требующие несколько десятков миллисекунд и дающие полную информацию о структуре и свойствах. Такой подход востребован в фармацевтике: необходимо быстро проанализировать большое количество веществ и определить характерные структуры, температурные переходы, чтобы индустрия могла сфокусироваться на наиболее перспективных.

Расширение данного сектора возможно благодаря разработке тестовых площадок и микролабораторий, способных регистрировать различные свойства материала одновременно. Такой подход необходим для формирования баз данных, являющихся отправной точкой для создания новых веществ.

В настоящее время активно обсуждается тема достижения технологического суверенитета. Несколько областей науки демонстрируют явное отставание от мировых стандартов. Какова же обстановка в области материаловедения? Сколько было утрачено тридцать лет назад?

Не могу судить обо всех областях материаловедения, но направлению, которым я занимаюсь, причинен значительный урон. Треть научных сотрудников либо эмигрировали, либо сменили профессию и перестали заниматься тем, чему учились десятилетиями. Химической промышленности был нанесен огромный ущерб, без которой создавать новые материалы очень трудно. Если у нас нет собственных мономеров высокого качества или, например, полимеров медицинского назначения, такого как полилактид, используемый для создания медицинских изделий, остается только закупать их за границей. Это дорогостоящее мероприятие. Для достижения технологической независимости нужно восстанавливать и осваивать технологии заново.

В энергетике также чувствуется недостаток отечественных материалов. У нас до сих пор не организовано массовое производство полимеров для протонпроводящих мембран, применяемых в топливных элементах.

Производство самолетов требует высококачественных углепластиков и связующих, полимеров для космической промышленности необходимы, а также полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы для изготовления бронежилетов и касок, поставляемых на весь мир.

Вызовов множество, и классифицировать их по значимости сложно: каждая важна и требует немедленного решения. Сегодня перед молодыми учеными-материаловедами сформировалось много задач; в нынешней ситуации они могут создать то, что будет нужно и востребовано.

Выступая сопредседателем программного комитета форума «Наука будущего — наука молодых» последние годы, как оцениваете вы перспективы научной молодежи в России на фоне юбилейного Х форума?

Каждый год нас восхищает энтузиазм и искристые глаза молодых людей, которые приезжают к нам. Отслеживая их путь, видим, как многие выпускники становятся аспирантами, а потом и экспертами на нашем форуме.

«Наука будущего — наука молодых». В этом месте молодые учёные смогут познакомиться друг с другом и со старшими коллегами, а также встретиться со специалистами из смежных областей науки, которые сегодня могут казаться далекими от их работы, но через несколько лет могут стать ей близкими. Ведь прогресс развивается очень быстро.

При разработке новых образовательных программ потребность в специалистах к моменту их завершения может исчезнуть или трансформироваться. Поэтому важно оперативно реагировать на изменения рынка труда, выявлять перспективные направления, чтобы выпускники вузов могли свободно адаптироваться и быть востребованными.