Старые полимеры приобретают новые свойства
Аббревиатура НБИКС означает нано-, био-, информационные, когнитивные и социогуманитарные науки и технологии. Междисциплинарные исследования на стыке этих областей ведет НБИКС-центр Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Об удивительных результатах работы лаборатории полимерных материалов НБИКС-центра рассказал ее руководитель.
Михаил Ковальчук: Сегодня очень перспективно создание принципиально новых материалов с заданными свойствами — например, такими, как биосовместимость и биоразлагаемость. Они уже применяются в хирургии: импланты, протезы, шовная хирургическая нить. Биоразлагаемую нить не надо после заживления раны вытягивать пинцетом: она со временем сама рассасывается и просто исчезает. Или представьте себе полиэтиленовый пакет, который через некоторое время после применения бесследно разлагается под действием солнечного света. Это очень простые примеры, но за ними стоит сложная наука. Она занимается в том числе созданием аналогов человеческих тканей и органов — кожи, трахеи, суставов, многого другого. Этим занимаются междисциплинарные коллективы медиков, биологов, химиков и, конечно, физиков. Тимофей Евгеньевич, расскажите, пожалуйста, как это происходит у вас в НБИКС-центре.
Президент Курчатовского института М. Ковальчук
Тимофей Григорьев: Начну я с самого главного — с полимеров. Описанная вами отрасль базируется на полимерных молекулах и материалах. Полимер отличается от мономера тем, что его молекула длинная, цепочечная. Ее можно сравнить с бусами. Какой длины будут эти бусы, какого цвета и фактуры бусинки мы туда повесим, как их упакуем — от этого свойства полимера будут зависеть кардинально. Потом — формование. Из одного и того же полимера мы можем сделать совершенно разные материалы: один будет фильтрующим, другой барьерным, третий будет гнуться или не гнуться, быстрее или медленнее разлагаться. Мы действуем по правилу трех «с»: синтез, структура, свойства. Чтобы получить результат, нужно последовательно пройти все эти стадии.
М. К.: Да, это классика. В Институте кристаллографии, где я начинал свою научную карьеру, действовало очень похожее правило, чуть менее широкое: «рост, структура, свойства». Благодаря этому принципу была создана одна из лучших в мире промышленность выращивания монокристаллов — диэлектрических, лазерных, пьезо-.
Какие же направления вы сейчас развиваете?
Т. Г.: Начну с самого простого — классические композиционные конструкционные материалы. Это когда нам надо из обычного крупнотоннажного полимера — полиэтилена, полипропилена, полиамида, полиуретана — сделать материал с настраиваемыми свойствами. Чтобы он был прочнее, или был более огнестойким, или обладал барьерными, то есть защитными, свойствами. Если, например, полиамид — обычный полимер — наполнить всего 1–2% глины, то это радикально увеличит его барьерные свойства. Мы получим дешевый теплостойкий материал для изготовления некоторых изделий подкапотного пространства автомобиля. Надо только правильно раскрыть и распределить в полимере пластиночки глины толщиной всего в пару нанометров.
М. К.: Как вы умудряетесь элементы глины встроить в полимер? Они просто подмешиваются или химически встраиваются? Ведь несовместимые же вещи, казалось бы...
Начальник отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского НБИКС-центра, кандидат физико-математических наук Тимофей Григорьев
Т. Г.: Да, это непростая задача. Основная задача науки о композитах.
Самый классический метод — экструзионное смешение. Мы помещаем полимер и наполнитель в большую мясорубку — экструдер. Он всё плавит и перемешивает в сложных, специально разработанных режимах. Так делается большинство продуктов, которыми мы сейчас пользуемся в быту, — пакеты, литые изделия... Более сложный пример — базальтопластик, волокно из камня. Это утеплитель или наполнитель для эпоксидной арматуры. Каменная вата плюс эпоксидка.
М. К.: Что здесь полимер? Никто не задумывается. Продается каменная вата, обычные пластины для утепления. Что за этим стоит в научном плане?
Т. Г.: Основой являются минеральные составляющие, из которых потом получается эта вата. Но сделать волокно и получить вату — полдела, ведь их надо еще и связать. Связующее вещество в каменной вате — самое главное. Если оно будет неправильным, оно будет спадать при нагреве, влажности. Полимер — в данном случае эпоксидная смола, реактопласт — то, что образует связи в результате реакции, а не в ходе смешивания. Оно связывает материал в единую монолитную конструкцию таким образом, что прочность значительно увеличивается. Очень важно, что увеличивается не только прочность, но и все остальные свойства: теплостойкость, огнестойкость.
М. К.: Утеплитель должен быть пожаробезопасен. При температуре в несколько сотен градусов он должен сколько-то часов продержаться, не воспламеняясь...
Т. Г.: Добавление минеральных составляющих — той же глины, монтмориллонита — повышает огнестойкость именно за счет изменения механизма горения всей системы. Это снова минимальные добавки — не более 3%. Так и происходит тонкая настройка состава, структуры, свойств.
Но чтобы решать подобные задачи, необходим весь аппарат фундаментальной науки. Что-то уже разработано, но многое создается прямо сейчас.
М. К.: Как-то я увидел в окне нечто необычное. Потом сообразил: да окно же запотело! Раньше в окнах были двойные деревянные рамы. Каждую зиму мы втирали замазку в те места, где оконное стекло соприкасалось с деревом. В 1950–1960-е годы нарезали бумагу лентами, варили клей из муки. Потом заклеивали этими белыми полосками по периметру. Зимой нельзя было открывать окна, оставалась только одна форточка. Но окна всё равно не просто потели, а даже покрывались наледью. Было такое детское развлечение: дышать на оконное стекло, прикладывать пятерню, отковыривать лед. А сейчас ничего этого нет, потому что у вас абсолютно герметичная система. Когда я увидел запотевшее стекло, я понял, что пора менять стеклопакет: он перестал быть герметичным. Сегодня рисовать воспетые в известных стихах узоры на стекле можно, только если окно неисправно... Как видим, без науки даже окно нормальное сделать нельзя, не говоря уже о теплом доме.
Т. Г.: Да тот же полиэтиленовый пакет раньше разваливался, если положить в него несколько книг. А теперь он выдерживает огромный вес: мы научились правильно упорядочивать структуру полиэтилена. Для понимания этого процесса понадобились фундаментальные исследования на сложном оборудовании. Я всегда говорю студентам: чтобы понять, как сделан хороший полиэтиленовый пакет, необходим синхротрон.
М. К.: Наука дает нам качество жизни: всё новые, более совершенные модели автомобилей, телевизоров, телефонов, компьютеров. И даже простой полиэтиленовый пакет — весьма наукоемкий продукт. Несколько десятилетий назад, будучи сотрудником академического института, я ездил работать за границу и привозил оттуда полиэтиленовые пакеты. Это был тогда лучший подарок: пакеты бережно хранили и использовали годами. А сейчас проблема — не сохранить использованный пакет, а уничтожить его. Например, сделать биоразлагаемым, исчезающим.
Т. Г.: Тут мы возвращаемся к первой букве «с» — синтезу. Если мы сделаем правильную структуру полимерных бусинок, то можем получить материал, который будет биоразлагаться. Сейчас уже появляются даже в гипермаркетах пакеты, которые почти разлагаются, но это тот же полиэтилен. В него ввели компоненты, чаще всего крахмал, которые под солнцем разлагаются до почвенного субстрата, это такая труха. А если мы сумеем сделать пакет, скажем, из полилактида и полигликолида, он сможет разлагаться до углекислого газа и воды.
М. К.: Теперь давайте поговорим о более сложном. Например, про арматуру, композиционные материалы.
Т. Г.: Арматура — это классический полимерный композит. Берется базальтовое или стекловолокно, либо углеродное волокно, если нужна большая прочность, и связывается полимером. Потом формуется: это процесс пултрузии, при котором изделие скорее вытягивают, чем выдавливают. Как всегда, процесс прост на вид, но в действительности очень сложен: надо непрерывно и тщательно контролировать структуру, термостойкость, прочность, стабильность. Конечно, такая арматура пока дороже стальной, но при нормальных объемах производства она уже получается дороже всего в 2–3 раза.
М. К.: Тем не менее пока она массового распространения не получила?
Т. Г.: Пока эта арматура активно идет для спецприменения. Если это вышка ЛЭП, она должна быть некорродирующая, легкая, жесткая. Или даже сердечник силового провода: он сильно расширяется при нагреве, провода провисают. А у композита коэффициент температурного расширения значительно ниже, чем у металла. То же самое — гибкие связи в строительстве, скажем, небоскребов. Там люфт, они качаются очень сильно. Поэтому нужны эти гибкие связи для того, чтобы абсолютно контролируемо возвращать конструкцию обратно без усталостных напряжений.
М. К.: Сейчас в лаборатории создана пластиковая арматура, назовем ее так. Она еще дороже, еще высокотехнологичнее. Но через некоторое время мы вернемся к этому разговору и увидим, что миллионы тонн арматуры, которую выпускают наши металлургические заводы, будут заменены этой легкой, прочной и вечной арматурой из композиционного материала...
Т. Г.: Это и есть нормальный научно-технический прогресс: сначала нечто новое рождается в умах ученых, потом оно в лабораториях превращается в опытный образец, затем производится на заводах опытными партиями, а в итоге меняет целую отрасль.
М. К.: Давайте теперь поговорим о совершенно другой, близкой каждому человеку области, — о биосовместимых полимерных материалах.
Т. Г.: Те же самые материалы могут применяться и в медицине. Здесь на первый план выступает биосовместимость. Пример — опять полиэтилен: если его молекулярная масса низкая, цепочки молекул короткие, из него можно изготовить обычный полиэтиленовый пакет. Но если цепочки сделать очень длинными, молекулярная масса станет значительно выше, и свойства полиэтилена кардинально изменятся. Из него можно будет сделать, например, вкладку в искусственный сустав, потому что материал становится удивительно устойчивым к истиранию. Или этот же полиэтилен может использоваться в бронежилете: сверхвысокомолекулярный, в качестве прокладки для бронезащиты. Другие изделия медицинского назначения — те, которые помогают хирургам делать операции. Сначала были шовные нити неразлагаемые. Шовные нити, сетки, импланты. Если мы на этих простых неразлагаемых полимерах сделаем другую структуру и будем контролировать свойства с помощью структуры, а не с помощью синтеза, то уже сможем сделать импланты улучшенной приживляемости. Трубчатый каркас — трахею, желчный проток, сосуд — мы сможем сделать с нужной структурой, так что она приживется в организме. Через какое-то время врач посмотрит и не поймет: это соединительная ткань или имплант, который при этом не разлагается и не воспаляется. Трахея, кстати, — один из самых напряженных органов в организме. Когда мы кашляем, то подвергаем ее огромным механическим нагрузкам. Если это имплант, он должен обладать колоссальным набором свойств помимо биосовместимости — соответствующей механической прочностью, исключительной гибкостью. Поэтому мы держим в полимерной лаборатории огромное количество приборов для механического тестирования. Если вы производите полиэтилен для пакетов, то вам нужна его механическая прочность на разрыв. Создаете арматуру из композиционных материалов — прочность на разрыв, на изгиб, на сжатие. Делаете трахею, любой искусственный орган, сосуд — испытываете его на растяжение, на внутреннее и внешнее давление...
М. К.: Поэтому мы с вами не должны забывать, что за любым продуктом, технологией стоит колоссальная, очень сложная научная работа, которой занимается много институтов, коллективов и вот таких молодых ученых, как мой сегодняшний собеседник. Это означает, что у нас есть очень неплохие перспективы на будущее с точки зрения качества жизни и вообще научно-технического прогресса — во всех его проявлениях.
