Полимир

Сергей Комаров

---

«Главная задача науки о полимерах — научиться строить искусственные соединения так, как это делают живые организмы», — говорит лауреат Государственной премии РФ 2008 года в области науки и технологий академик РАН Алексей Хохлов.

Две конформации одной и той же полимерной цепи — клубок и глобула

После того как в 1928 году был создан искусственный каучук, а в 1938-м — синтезирован нейлон, наступил век полимеров — химических соединений, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок. Из полимеров уже сделано огромное множество различных материалов, и порой кажется, что химики могут теперь все и что проблема только в практическом освоении имеющихся методик. Однако академик Алексей Хохлов, заведующий кафедрой полимеров и кристаллов МГУ им. М.В. Ломоносова, с этим совершенно не согласен.

— Алексей Ремович, скажите, полимеры — это прошлое науки или будущее?

— Конечно, будущее. К настоящему времени мы умеем неплохо соединять в полимерные цепочки однотипные звенья. Однако если взять живые организмы, которые построены целиком из полимеров — белков, полисахаридов, рибонуклеиновых кислот, то цепочки поражают разнообразием. Они состоят из звеньев разного типа, и каждое оказывается на своем месте. Это отражение разнообразия свойств, присущего живой природе. Мы так делать не умеем — при построении полимера из разнотипных звеньев их местоположение оказывается в значительной степени случайным. Поэтому перед наукой стоит огромная задача — научиться строить полимеры так, как это делают живые организмы. Эта задача столь сложна, что вряд ли ее удастся решить в обозримом будущем.

— Тогда, может, имеет смысл заниматься менее сложными задачами?

— Более 60 процентов химиков во всем мире занимаются именно полимерами, ведь число направлений в этой научной области чрезвычайно велико. Лично я начинал как теоретик, исследовавший физические взаимодействия полимерных цепочек. Это очень интересное направление. К примеру, известно, что полимерная система обладает чрезвычайно малой энтропией — мерой внутренней неупорядоченности. А вот, скажем, у газа, напротив, энтропия велика, поскольку молекулы его могут двигаться независимо друг от друга. Для того чтобы они вступили во взаимодействие и «слиплись», сконденсировались друг с другом, нужно сильное притяжение между ними. Звенья полимера не могут двигаться независимо, поскольку связаны в цепь, и поэтому способны «слипаться» даже под влиянием слабых взаимодействий. Возникает важная научная проблема: проследить за тем, как возникают в полимерах микроскопические структуры, например глобулы — плотные «капли» из молекул. Кстати, свойства живых полимеров, белков, во многом определены конформацией — той геометрической траекторией, которую принимает молекулярная цепочка полимера. Задается эта траектория еще во время синтеза белка в рибосоме и поддерживается слабыми силами, которые имеют не химическую, а физическую природу. Искусственно полученный белок не всегда обладает необходимой конформацией. В результате его биологическая активность может быть совсем не такой, как нужно. Наука о физических взаимодействиях полимеров как раз и занимается изучением того, как, зная строение полимерной цепочки и физические взаимодействия между ее фрагментами, определить структуру вещества на масштабах нанометров. В современной науке о полимерах можно выявить еще несколько интересных тенденций. Важнейшая из них — переход от конструкционных материалов к функциональным и так называемым умным полимерам, которые меняют свое поведение в зависимости от параметров окружающей среды.

Академик Алексей Хохлов специализируется на исследовании физических взаимодействий полимерных цепочек.
(Фото: Из личного архива Хохлова А.Р.)

— Разговоры про умные материалы ведутся уже, по крайней мере, лет двадцать, однако особого прогресса незаметно. Неоднократно описанная фантастами мебель, скажем, стул, вырастающий из пола в том месте, где человек собирается сесть, столь же далека от воплощения, как и десятилетия назад.

— Функциональные материалы — это не что-то отвлеченное или фантастическое. Могу смело утверждать, что с одной их разновидностью сталкивался в повседневной жизни почти каждый. Это памперсы, в которых главный элемент — порошок полимерного геля. Он способен всасывать столько жидкости именно потому, что в данном случае действуют физические, а не химические закономерности: некоторые полимерные звенья цепочек обладают электрическим зарядом. Соответственно вокруг цепочек плавают противоионы (поскольку гель в целом должен быть электронейтральным) и создают громадное избыточное «раздувающее» давление. В хороших гелях объем накопленной жидкости в сотни раз может превышать исходный объем полимера.

Так выглядит структура протонпроводящей полимерной мембраны по результатам компьютерного моделирования. Полимер показан красным цветом, а синим — заполненные водой проводящие каналы в его объеме

— Значит, спасибо физикам за наше счастливое детство с памперсами?

— В лаборатории на физическом факультете МГУ мы памперсами не занимаемся, однако с помощью похожего геля удалось создать очень интересную технологию для нефтяников. Это гелевая пломба для воды — отличный пример умных материалов. Обычно в нефтеносном пласте есть нефть и вода, причем они идут из скважины одновременно. Потом приходится воду от нефти отделять. Мы создали полимер, который, попав внутрь нефтяного пласта, никак себя не проявляет, а, достигнув резервуара с водой, превращается в гель и блокирует ее доступ. Чтобы он не образовал пробку раньше, чем надо, мы добавили в него растворимый ингибитор. Пока его концентрация высока, реакция образования геля не идет, а когда концентрация снижается, что случается при попадании полимера в чистую воду, происходит образование геля: молекулы полимера мгновенно связываются друг с другом прочными силами. Похожий принцип был использован при разработке полимера, который вызывает растрескивание грунта, а достигнув нефтяного резервуара, прекращает свою разрушительную деятельность. Так удается существенно повысить выход нефти из скважины для месторождений, близких к истощению.

— Эту технологию уже используют?

— Да. Созданные полимеры не дороги и дают немалый экономический эффект. Другой пример умного материала, работающего на эффекте набухания геля, — системы для направленной доставки лекарств. Принцип здесь схожий: достигнув места с определенными физико-химическими параметрами, например, миновав желудок и попав в кишечник или кровь, полимер с заключенным в него медикаментом резко насыщается водой, и лекарство благополучно из него выходит.

Сфера применения полимеров весьма широка. Внутри этого топливного элемента находится полимерная мембрана, в создании которой участвовали американские и российские химики.
(Фото: Сергей Комаров)

— Недавно промелькнула новость об использовании похожей технологии в медицине: противоопухолевый препарат заключают в наночастицы геля, который помещают в стволовые клетки кровеносных сосудов. Эти клетки обладают способностью собираться в районе опухоли. Сначала пациенту вводят такие «отравленные» клетки, а после того, как они сосредоточатся вокруг опухоли, добавляют вещество, дающее сигнал гелю начать выделение препарата. В результате введенные клетки взрываются и поражают окруженную опухоль.

— Непосредственно лекарствами и медициной мы не занимались. Но действующая на сходных принципах система нами разработана для геологических применений. Мы научились вызывать выделение нужного вещества в нужном месте нефтяной скважины при приложении весьма умеренного магнитного поля. Этот результат проходит патентование.

— А что помогает вам конструировать полимеры?

— Для этого есть компьютерное моделирование. Сейчас мощность компьютеров настолько велика, что можно рассчитывать события, происходящие в области размером до ста нанометров. А типичный масштаб полимерных структур исчисляется десятками нанометров. Российские программы для моделирования поведения полимеров входят в число лучших в мире. Например, с их помощью мы решили очень интересную задачу — выяснили особенности структуры перфторированной протонпроводящей мембраны, главной составляющей некоторых низкотемпературных топливных элементов, фактически базового компонента всей водородной энергетики. Для того чтобы мембрана хорошо работала, в ней должны быть каналы для прохождения ионов и отвода воды. От строения этих каналов многое зависит. С помощью компьютерного расчета можно заранее выявить наиболее перспективные вещества и параметры процесса для синтеза мембраны. Это-то и удалось сделать. Работа получила интересное продолжение. Когда Академия наук начала программу по водородной энергетике, мы к ней присоединились и рассчитали мембрану для среднетемпературных топливных элементов, то есть работающих при температуре 150-180 градусов. Более того, эту мембрану удалось получить на практике, и сейчас мы заняты созданием на ее основе полноценного топливного элемента, с электродами и активными слоями.

Поместив в клетки частицы геля с лекарством, ученые смогут бороться с опухолями.
(Фото: Kansas State University)

— Сейчас много говорят о том, что именно полимеры должны совершить революцию в микроэлектронике. Созданы не только проводящие полимеры, за что в 2000 году дали Нобелевскую премию по химии, но и полимерные полупроводники, полимерные светодиоды и даже полимерные магниты.

— Строго говоря, это все те же функциональные полимеры, то есть материалы, выполняющие определенную функцию. Несомненно, потенциал этого направления огромен. Здесь возможны очень интересные работы, ведь поведением таких полимеров можно управлять с помощью электрического тока. Мы попробовали это сделать и получили прозрачный полимер, который под влиянием небольшого приложенного напряжения меняет свой цвет. Фактически получилось стекло-хамелеон. Им можно затенять стекла машин, а также использовать в так называемом умном доме, который сам заботится о комфорте хозяев.

— Меняются ли методы выпуска полимеров? Ведь не секрет, что химические производства в большинстве своем вредны?

— Химическое производство неизбежно связано с загрязнением окружающей среды. И немалую роль в таком загрязнении играют растворители: реакции между органическими веществами проводят в бензоле, ацетоне и других опасных веществах. После завершения реакции нужно продукты отделить от растворителя и отправить его либо на повторное использование, либо на утилизацию. Во второй половине XX века появилась новая технология, которая позволяет использовать очень интересный растворитель — углекислый газ. Оказывается, если его нагреть до 35 градусов под давлением в сотню атмосфер, он превратится в так называемый сверхкритический флюид, нечто среднее между жидкостью и газом, и станет чрезвычайно хорошим растворителем для многих соединений. В нем можно проводить химические реакции, после завершения которых достаточно снизить давление, и углекислый газ вернется в атмосферу, а твердые продукты реакции останутся в реакторе. То есть окружающая среда ничем не загрязняется. Эту технологию используют прежде всего для очистки веществ, а мы в лаборатории Института элементоорганических соединений РАН развиваем направление, которое связано с «зеленой химией»: проводим фундаментальные исследования, изучая поведение полимеров в сверхкритическом СО2. Оказывается, самые обычные полимеры — полиэтилен, полипропилен — способны в нем набухать, то есть сверхкритический СО2 проникает внутрь полимерной пленки. Значит, можно с его помощью вводить в пленку многие полезные вещества, например, красители или вещества, придающие полимеру свойство биосовместимости. Научившись вводить вещества в уже готовую пленку, мы получим интересную технологию, например, производства биосовместимых пластиков для протезов. Наука о полимерах обладает множеством интереснейших направлений, которые связаны как с созданием новых материалов, так и с методами управления их свойствами. Это чрезвычайно разнообразный мир.

С помощью полимеров ученым удалось существенно повысить добычу нефти на месторождениях, которые близки к истощению
(Фото: Goss Images/Alamy/Photas)