Представьте себе материал, который одновременно невероятно прочный и очень легкий. Именно такими свойствами обладают композиты из углеродного волокна и пластика. Благодаря им самолеты и автомобили тратят меньше топлива и выбрасывают меньше вредных веществ в атмосферу. Лопасти ветряных генераторов становятся длиннее и эффективнее, а электрокары могут проехать дальше на одном заряде. Казалось бы, сплошная польза.

Но у этой медали есть обратная сторона. Те самые уникальные качества, которые делают эти материалы незаменимыми, превращают их в настоящую головную боль, когда приходит время утилизировать изделие. Выбросить на свалку — не вариант, а существующие способы переработки либо требуют огромных затрат энергии, либо дают на выходе вторсырье низкого качества.

Ученые по всему миру бьются над созданием таких композитов, которые можно было бы «разобрать» на запчасти по команде, чтобы извлечь чистое углеродное волокно для нового использования. Но и у этого подхода есть слабое место: после извлечения волокна остается отход, который снова оказывается никому не нужен.

Подробности опубликованы в издании Nature Synthesis.

Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне пошли дальше и нашли способ дать вторую жизнь даже этим остаткам. Химик Джеффри Мур и его коллеги Ютин Чжоу и Чжэньчуань Сюй придумали, как с помощью электричества превращать бесполезный мусор в ценный материал. По словам Мура, это позволяет замкнуть цикл жизни углеродных композитов, которые сегодня активно используются в ветроэнергетике, транспорте и авиации.

В центре их метода — процесс, который называется электролиз. Если совсем просто, они пропускают ток через специальный раствор, и это заставляет молекулы перестраиваться.

Что же это за отходы, с которыми они работают? Это обломки исходного композита, которые остаются после того, как из него извлекли дорогостоящее углеродное волокно. Эти обломки состоят из олигомеров — коротких цепочек повторяющихся молекул. Для сравнения: привычный нам термопластик состоит из длинных полимерных цепей, а исходный композит — это вообще трехмерная сетка из сшитых полимеров, которая и придает материалу его невероятную прочность.

Когда мы разрушаем композит, чтобы добраться до волокна, полимерная сетка распадается. И остаются эти самые короткие обломки — олигомеры, которые уже не обладают нужной механической прочностью, — объясняет Ютин Чжоу.

И вот тут в игру вступает электролиз. Ученые не просто так пропускают ток — они «атакуют» основную цепь олигомера в двух местах одновременно. За один шаг они внедряют в углерод-водородные связи две активные функциональные группы.

Это как если бы мы приделали к обломкам универсальные крепления, с помощью которых они могут снова соединяться друг с другом.

Мы вшиваем в них специальные метки, которые позволяют фрагментам сцепляться между собой и формировать новую сетку. Наша цель — восстановить их прочность, связав воедино, — рассказывает Чжоу.

В результате получается материал нового типа — так называемые ковалентно-адаптивные сетки (CANS). По своим свойствам он снова похож на прочный полимер, который к тому же можно перерабатывать повторно. Как отмечает исследовательница, из такого материала можно делать множество других вещей, вплоть до новых композитов.

Джеффри Мур подчеркивает практическую значимость работы:

Теперь у нас есть способ брать дешевые отходы от переработки композитов и превращать их в новые термореактивные пластики, которые можно использовать снова и снова.

Термореактивные пластики — это особый тип полимеров, которые отверждаются под воздействием температуры и становятся жесткими навсегда.

Из них делают корпуса для электроники, детали машин, защитные покрытия — да что угодно.

Создавая возможность для повторного использования олигомеров, которые раньше просто выкидывали, мы приближаем производство к безотходному циклу и показываем, как электрохимия может помочь в переработке полимеров, — добавляет Мур.

Сама по себе научная работа тоже важна. Как объясняет Мур, это первый в истории пример, когда ученым удалось в промышленных масштабах модифицировать сразу два участка в углерод-водородных связях сложной полимерной цепи. Раньше исследователи либо делали косметические изменения, либо работали только с кончиками цепей. А тут — прямое «редактирование» самой молекулы.

Более того, в ходе работы выяснилось, что определенные участки в этих разветвленных олигомерах (третичные аллильные связи) гораздо активнее вступают в реакцию, чем считалось раньше. Это само по себе новое и важное открытие в химии.

Сейчас команда уже смотрит в будущее и планирует проверить, можно ли применить их электрохимический метод к другим материалам, например, к полибутадиену, из которого делают синтетическую резину.

Самое интересное здесь — это не просто переработка, а повышение ценности отходов. Мы привыкли, что вторичное сырье — это что-то     низкокачественное: пластиковые бутылки превращаются в скамейки, но не обратно в бутылки. Здесь же исследователи нашли способ «апгрейдить» мусор, превращая короткие обломки в полноценный строительный материал. Если технология масштабируется, производители композитных изделий перестанут бояться утилизации. У них появится экономический стимул собирать и перерабатывать отходы, потому что они снова пойдут в дело. Это снизит нагрузку на свалки и сократит потребность в добыче первичного сырья. Для науки же прорыв в том, что ученые научились точечно „редактировать“ сложные молекулы, не ломая их до основания. Это открывает дорогу для создания новых материалов с заранее заданными свойствами прямо из старых.

Исследование выглядит многообещающе, но пока сложно сказать, насколько оно применимо в реальном мире. Ученые работают в идеальных лабораторных условиях. Отходы, которые попадают на реальные заводы по переработке, обычно гораздо грязнее: они могут содержать краску, клей, остатки других материалов, примеси металла. Как поведет себя электрохимическая реакция в таких «грязных» условиях? Снизится ли ее эффективность? Потребуется ли дополнительная дорогостоящая очистка? Кроме того, в тексте упоминается, что это первая „масштабируемая“ демонстрация, но сам масштаб не уточняется. Получение нескольких граммов вещества в лаборатории и тонн на заводе — это совершенно разные технологии. Энергозатраты на электролиз в промышленных объемах могут оказаться выше, чем польза от полученного материала.

Ранее ученые разработали новый метод электролиза без дорогих катализаторов.