Пластмассы окружают нас повсюду. Из них делают все: от детских игрушек и упаковки для еды до деталей автомобилей и медицинских приборов. Секрет такой популярности прост: полимеры легкие, прочные и при этом достаточно гибкие. Но есть у этого удобства и обратная сторона. Каждый год в мире скапливается около 52 миллионов тонн пластикового мусора, и эта гора продолжает расти, превращаясь в серьезную экологическую проблему.

Ученые давно бьются над созданием более безопасных для природы материалов. Однако большинство новых разработок либо слишком сложны в производстве, либо их невозможно нормально переработать, если они попадают в общую кучу с обычным пластиком.

Команда исследователей из Южной Кореи под руководством доктора Тэ Ан Ким из Научно-исследовательского института KIST нашла элегантный выход из этого тупика. Они создали удивительный полимер, который ведет себя почти как живой организм.

Подробности опубликованы в издании Advanced Functional Materials.

В основе разработки лежит необычная молекула в форме пятиугольного кольца. Ее главная особенность — умение легко распадаться обратно на составные части и собираться заново, как конструктор. При этом связи в материале не просто рвутся, а динамично перестраиваются под воздействием тепла, света или механического давления. Это позволяет получать полимеры с самыми разными свойствами: материал может быть эластичным, как резинка для волос, или твердым, как стеклянная бутылка.

Представьте себе пластик, который сам сигнализирует о поломке. Если на покрытии появляется микротрещина, это место начинает светиться. Увидели свечение — значит, пора принимать меры. Достаточно нагреть поврежденный участок или направить на него свет, и трещина бесследно исчезает. Материал «залечивает» себя сам.

Но самое интересное происходит, когда вещь приходит в негодность. Обычный пластик сложно переработать, потому что он перемешан с другими видами полимеров. Корейская разработка решает и эту проблему. Даже если наш пластик оказался в общем баке с отходами, его можно заставить избирательно распасться на исходные молекулы-мономеры. Эти чистые «кирпичики» потом используют снова, чтобы создать новый материал, который будет ничем не хуже первоначального.

Благодаря такой хитрой молекулярной структуре полимер может менять свои свойства на ходу. Например, в качестве защитного покрытия он оказался настоящим чемпионом. По твердости он превосходит обычные эпоксидные смолы в три раза, а по упругости — более чем в два раза. А если обработать его ультрафиолетом, материал запоминает приданную ему форму. Это открывает дорогу для создания «умной» одежды, которая не мнется, или гибких электронных устройств, которые подстраиваются под тело.

Доктор Ким подчеркивает, что их подход меняет сами принципы создания пластиков. Материал сам находит у себя повреждения, сам чинится, а когда приходит время, его легко разобрать на запчасти без потери качества. Это не просто новый полимер, а новый взгляд на то, как мы производим и утилизируем вещи. Сейчас исследователи работают над тем, чтобы их экологичное покрытие с нулевым количеством отходов вышло на рынок и заменило привычные, но вредные для природы материалы.

Для науки ценность работы заключается в создании платформы, а не единичного продукта. Пятиугольная молекула, способная к динамическим обменным реакциям — это как универсальный ключ. Исследователи открыли механизм, с помощью которого можно проектировать материалы с заданными свойствами на молекулярном уровне. Раньше мы могли либо сделать пластик прочным (но неперерабатываемым), либо перерабатываемым (но хрупким). Теперь этот разрыв преодолен. Возможность управлять термомеханическими и оптическими свойствами in situ (прямо в процессе эксплуатации) открывает безграничное поле для изучения «умных» материалов.

В реальной жизни польза может быть колоссальной.

• Промышленность и транспорт. Представьте себе краску для автомобиля, которая не царапается. Если повреждение все же возникло, машину не нужно перекрашивать — достаточно прогреть деталь специальной лампой. Это снижает затраты на ремонт и продлевает жизнь лакокрасочному покрытию.
• Экология и утилизация. Сейчас переработка пластика — это грязный и дорогой процесс сортировки. Если на завод поступит смесь отходов, наш материал можно будет химически «выцепить» из общей массы и разобрать до мономеров. Это превращает переработку из варки „грязной каши“ в чистый химический процесс, где получается сырье девственной чистоты.
• Электроника и робототехника. Способность запоминать форму в сочетании с прочностью идеальна для мягких роботов или носимых датчиков. Материал может адаптироваться к движениям человека и при этом быть защищенным от разрывов.

Доклад, безусловно, выглядит многообещающе, но обратим внимание на ряд моментов.

• Во-первых, основная проблема всех «умных» полимеров с динамическими связями — это их долговременная стабильность. Да, материал реагирует на тепло и свет, но что произойдет с ним через год под палящим солнцем в Аризоне или при экстремальном холоде в Сибири? Не начнутся ли неконтролируемые реакции обмена, которые приведут к ползучести или потере прочности раньше времени? Лабораторные тесты — это одно, а реальный климат — совсем другое.
• Во-вторых, вопрос стоимости синтеза. Дизайнерские молекулы с пятиугольным кольцом — это не тонна полиэтилена, которую наштамповали из газа. Пока не озвучена экономика процесса. Насколько сложно и дорого масштабировать производство таких мономеров? Если покрытие будет стоить в 10 раз дороже эпоксидки, его применение ограничится только космической и военной отраслями, а для массового рынка оно останется игрушкой.
• И наконец, заявленная селективная деполимеризация в смеси с обычными пластиками. Как именно планируется «включать» этот процесс? Это требует либо химического катализатора, либо специфических условий (температура, давление), которые не повредят другие полимеры в смеси. На практике отделить мономеры от расплава общего „винегрета“ может оказаться технически сложной и энергозатратной задачей, которая сведет на нет экологическую выгоду.

Ранее мы разбирались, как ферменты расщепляют пластик.