Заменят кости и сталь: 6 типов материалов будущего

Порой кажется, что пластики — это лишь упаковка, одежда и мебель. Но на самом деле это огромная индустрия с обширной научной базой и передовыми разработками. Полимеры лежат в основе сложных технологических изобретений: от электрокаров до сверхпрочных тканей. С каждым годом становится все больше сфер, где этот класс материалов играет решающую роль. 

О том, какие классы высокомолекулярных химических соединений сегодня считаются самыми прогрессивными, «Вокруг света» рассказала химик, научный журналист Сакина Зейналова.

Высокотемпературные полимеры: прочность и стойкость

Не все пластики можно расплавить при малейшем нагреве. Эти материалы очень разнообразны, и для некоторых из них рабочие температуры выходят за рамки привычного нам диапазона. Среди термопластичных полимеров (то есть тех, которые можно многократно перерабатывать) есть условное разделение на:
стандартные — полипропилен и полиэтилен, из которых делают пищевые контейнеры;
инженерные: более прочные и устойчивые материалы, такие, как поликарбонат;
высокотемпературные: фторполимеры, амид и полиэфиркетоны.

Находящиеся на вершине пирамиды высокотемпературные полимеры — вещества, которые производятся небольшими тоннажами, несравнимыми с количеством производимого упаковочного пластика. Но несмотря на малую долю рынка, приходящуюся на них, они критически важны. Сверхпрочные и лёгкие конструкции, устойчивость при высоких температурах, химическая инертность и биологическая совместимость —  всё это про высокотемпературные полимеры. Важность этих материалов демонстрируют два примера.

Костюмы для пожарных тоже делают из высокотемпературных полимеров, а точнее из  полибензоимидозола (PBI). Он был разработан в 1961 году химиками Фогелем и Марвелом как супертермостабильный и негорючий материал. Полимер начинает размягчаться при температуре около 400 ºС — даже свинец и олово плавятся при более низких температурах. PBI образует прочное волокно, не пропускающее электрический ток и влагу. 

Биоразлагаемые полимеры: экоупаковка и новые методы медицины

Это материалы, которые могут разлагаться естественным путем под действием микроорганизмов, света, влаги и других естественных факторов. При их разложении образуются экологически чистые вещества, такие, как углекислый газ и метан.

Биоразлагаемые полимеры разрабатываются в качестве альтернативы небиодеградируемым полимерным материалам в различных областях применения: упаковка, автомобильные комплектующие, детали для техники, имплантаты, медицинские средства и многое другое.

Такие материалы представлены не только крахмалом и целлюлозой. Это множество веществ самой разной природы: от хитина из панцирей ракообразных до полимолочной кислоты.

Согласно прогнозам рынка, к 2026 году можно ожидать рост производства биоразлагаемых полимеров на 20% по сравнению с 2016 годом. В 2019 году глобальные производственные мощности биопластиков и биоразлагаемых полимеров составили около 2,11 млн тонн, причем почти 50% объема предназначалось для рынка упаковки — крупнейшего сегмента рынка в индустрии биопластиков. ​

Умные материалы: таргетная доставка лекарств и детали, восстанавливающие форму

Измерить уровень интеллекта у материалов, конечно, наука не может. К «умным» относят материалы (в том числе полимеры), способные реагировать на внешние раздражители: температуру, кислотность (pH), свет или электрические поля. Такие свойства позволяют использовать их в датчиках, приводах, «чувствительной упаковке», реагирующей на порчу продуктов. Но главное применение этих веществ — селективная доставка лекарств.

Таргетная доставка лекарств — важная цель для современной медицины. Если доставлять вещества только в те области в организме, где они оказывают положительный эффект, можно свести к минимуму побочные эффекты лекарственных препаратов. Для такой точной адресной доставки веществ часто используются именно полимеры, в частности, хитозан, аргинин, полисахариды, полигликолевая кислота, полимолочная кислота, поли (2-гидроксиэтилметакрилат), поликапролактон и т. д.

Полимеры с памятью формы — это материалы, которые могут подвергаться временной деформации при воздействии определенного раздражителя, например, тепла, света или электрического поля. А после возвращаться к своей первоначальной форме. Такие полимеры потенциально можно использовать в мягкой робототехнике, машино-, космо- и авиастроении. Также их применяют в изготовлении спортивной одежды. К этой группе относятся сшитый полиуретан, двойной полимер, или, по-научному, блок-сополимер полиэтилентерефталата и полиэтиленоксида, блок-сополимеры, содержащие полистирол и поли(1,4-бутадиен).

Жидкие кристаллы

Жидкокристаллические полимеры (Liquid crystal polymers, больше известные как LCP) представляют собой полимеры со свойством жидкого кристалла, то есть обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). В своей структуре они содержат длинные, жёсткие, стержневидные молекулы с высокой степенью ориентированности в пространстве. Эти молекулы и определяют особые свойства жидкокристаллических полимеров.

Основная особенность ЖК-полимеров — их двойственная природа, позволяющая сочетать в материале свойства высокомолекулярных соединений (к примеру, способность образовывать плёнки, стёкла, волокна и покрытия) с уникальными оптическими и другими физическими свойствами жидких кристаллов.

Подающие надежды

Кроме вышеперечисленных материалов, существует еще множество необычных и многообещающих, о которых стоит знать. Для предсказания существования некоторых из них, а также прогнозирования их свойств используются сложные математические расчеты и машинное обучение.

В марте 2018 года в журнале Science было опубликовано исследование, в рамках которого был разработан биосовместимый материал, состоящий из трёхблок-полимера. Кроме возможности использования этого материала в качестве искусственной кожи, авторы отметили, что при деформации полимер меняет цвет. Прежде такого свойства не было обнаружено ни у одного известного полимера. 

Уже сейчас прогнозируется, что спрос на этот вид полимеров-хамелеонов к 2028 году вырастет на 10% за счёт использования в регенеративной медицине и протезировании, где особенно важна персонализация.

Другой известный журнал, Nature, в 2022 году выпустил не менее громкую статью от ученых Массачусетского технологического института. Они разработали полимерный двумерный материал, образующий листы. При правильных условиях исходные вещества (их называют мономерами) могут расти в двух измерениях, образуя диски. Эти диски укладываются друг на друга, удерживаемые вместе водородными связями между слоями, которые делают структуру очень стабильной и прочной. 

Разработку назвали двумерным полиарамидом (2DPA-1). Его плотность в 6 раз меньше, чем у стали, но он в 2 раза прочнее. Профессор Майкл Странно, участвовавший в разработке 2DPA-1, считает, что на основе этого полимера в будущем можно будет производить несущие конструкции зданий и другие суперпрочные составляющие. 

Искусственные кости, биоразлагаемые материалы, синтетическая кожа-хамелеон, «полимерная сталь» и жидкие кристаллы. Полимеры как класс материалов давно вышли за пределы понимания обычного «пластика», который грозят запретить. Зная все их возможности, мы можем смелее смотреть вперед и придумывать новое. Они улучшают нашу жизнь, делая ее безопасной, высокотехнологичной и комфортной.