«Полимеры стали неотъемлемой частью новой технологической волны, — отмечает Александр Чулок, российский прогнозист, международный эксперт Программы развития ООН по форсайту, д.э.н., профессор, директор Центра научно-технологического прогнозирования ИСИЭЗ НИУ ВШЭ. — Области их применения практически безграничны — от использования при освоении дальнего космоса до погружения в глубины мирового океана. При этом современные полимеры способны менять свои свойства, адаптируясь под внешнюю среду и задачи человека, и перерабатываться бесконечно».
Пластик против экстремальных условий
Пластик — это синтетический материал, получаемый на основе полимеров и функциональных добавок. Специалисты смогли подружить его с экстремальными условиями. Некоторые полимеры способны выдерживать перепады высокой и низкой температур, эффективно «терпеть» воздействие химических веществ, а еще они обладают долговечностью.
Само понятие экстремальных условий приобретает особый смысл, когда речь идет о космической сфере. Высокотемпературные полимеры, такие как PEEK, выдерживают до 260 ºC длительного температурного воздействия. Именно поэтому они используются при разработке современных ракет-носителей, а также как материал для конструирования летательных аппаратов. Полимер PEEK, например, применяется для замены металлических деталей в космической отрасли: это снижает вес изделия и позволяет экономить топливо при использовании в транспортных средствах. Немаловажный момент — эти полимерные элементы помогают сократить вредные выбросы.
Полимерные микрочастицы, которые помогут вылечить рак
Наночастицы на основе полимеров могут быть использованы для доставки лекарств, так как они способны легко проникать в клетки и ткани, защищая активные вещества от разрушения в организме. Например, наночастицы PLGA широко используются для доставки противораковых препаратов, позволяя им эффективно накапливаться в опухолевых клетках и защищая от токсичного воздействия здоровые ткани.
У полимера PLGA, который состоит из сложных полиэфиров молочной и гликолевой кислот, есть два важнейших свойства: биосовместимость и биоразлагаемость. Благодаря этому полимеры и стали активно применять в медицине для точной доставки лекарств в организме. PLGA универсален, так как может использоваться для инкапсуляции малых молекул, то есть для создания своеобразной защитной оболочки. Способность воспроизводить любой размер и принимать любую форму делает это соединение ключевым для тканевой инженерии, систем восстановления костей и других медицинских технологий.
«Ткань-электростанция»
Мы привыкли, что пластик используется как изоляционный, то есть не проводящий электричество материал. Например, оплетка электрических проводов производится из пластика. Но полимеры способны удивлять и проявлять противоположные свойства. В конце октября 2024 года специалисты из Швеции рассказали о создании ткани, прошитой шелковыми нитями с покрытием из проводящих полимеров: она достаточно гибкая и может использоваться в текстильном производстве. Ткань вырабатывает электричество благодаря разнице температур между телом человека и окружающим воздухом. Опытные образцы демонстрируют хороший потенциал и вскоре могут получить USB-интерфейс для зарядки различных устройств.
Область применения разработки достаточно широка: в одежду из такой ткани можно вшивать датчики, сенсоры и даже гаджеты. Интерес новинка представляет в первую очередь для медицины: благодаря разработке можно будет постоянно следить за состоянием человека. Например, сейчас холтеры для мониторинга работы сердца довольно сильно ограничивают подвижность пациента и доставляют неудобство, а носить их нужно, не снимая в течение суток. Разработка ткани с электропроводящими полимерами позволит сшить условно рубашку: в нее будет встроен датчик, записывающий изменения сердечного ритма человека, который ее наденет. Это позволит и врачам провести исследование, и пациенту не доставит никакого дискомфорта.
Хотя в данном случае речь идет пока о лабораторном прототипе, ученые активно повышают его привлекательность для массового производства. Главная задача сейчас — сделать «ткань-электростанцию» выносливой к чистке и стирке. Нынешние образцы, по данным разработчиков, выдерживают семь стирок, сохраняя при этом 2/3 своих «аккумуляторных» возможностей. Тесты показывают, что ткань способна производить электричество в течение целого года работы.
Поцарапал машину? Сама заживет
Они так и называются — самозаживляющиеся полимеры. Вдохновившись природными процессами, такими как заживление кожи, разработчики наделили их возможностью восстановления своей структуры и даже функциональности после повреждений. Принцип работы таких пластиков основывается на «затягивании» поврежденных участков с помощью химической реакции или молекулярных изменений. Российские ученые занимаются разработкой различных типов самозаживляющихся полимеров, например, гидрогелей, построенных на основе двойных полимерных сеток.
Другой тип таких соединений — полимеры с микрокапсулами. Это материалы, в которых используется принцип «встроенных капсул» с химическими соединениями, «умеющими» активироваться при повреждении самого полимера. Микрокапсулы заполняются восстанавливающими агентами — специальными веществами, которые достраивают структуру поврежденного материала. Звучит несколько сложно, но область применения научных результатов порадует многих. Свойствами самовосстановления планируют уже в массовом производстве наделить покрытия для автомобилей: Nissan и Lexus экспериментировали с лаками и покрытиями, которые смогут автоматически «заживлять» царапины при нагреве. Такую же технологию тестировали для смартфонов LG.
Новое лицо из пластика
Пересадка лица на данный момент — одна из самых сложных и передовых хирургических процедур. Она включает в себя замену поврежденных или недостающих частей лица пациента и требует сложной подготовки и планирования. Полимеры играют важную роль в этой области, в частности, в создании биосовместимых материалов для временных имплантатов и каркасов, которые поддерживают восстановление и интеграцию пересаженных тканей (их называют скаффолды). Эти материалы помогают в формировании и поддержке структуры пересаженного лица, а также в ускорении процесса регенерации тканей. Например, полимерные импланты и протезы используются для восстановления утраченных частей лица, таких как нос, уши или челюсти. Подобные соединения также используются в реконструктивной и контурной пластике.
Современные полимеры, такие как силикон или полиуретан, подходят для создания высококачественных, биосовместимых имплантов, которые могут восстанавливать форму и функции утраченных частей тела. Эти материалы обладают высокой прочностью, гибкостью и хорошей переносимостью, что делает их идеальными для сложных хирургических процедур. Здесь же мы снова упоминаем полимер PEEK, который занимает чуть ли не первое место в костной имплантации, благодаря износостойкости, устойчивости к воздействию химикатов и биосовместимости. Это свойство и определяет его заметное место в эндопротезировании (замене суставов). Здесь важно сказать о 3D-печати — именно с помощью этой технологии из полимера создают практически равные по функциональности с естественными тканями долговечные протезы.
Назад в будущее: нефть — пластик — снова нефть
Факт: 400 млн т пластика производится каждый год. К сожалению, не все, кто им пользуется, правильно его утилизируют. А тем временем эти отходы человеческой деятельности можно превратить в полезный ресурс.
Японские инженеры предложили вполне адаптированную к массовому производству технологию. Компания Environment Energy планирует запустить фабрику в 2025 году, которая будет ежегодно перерабатывать 20 тыс. т пластиковых отходов. А превращать их будут в сырую нефть! На это способна первая коммерчески доступная установка для каталитического крекинга. По утверждению компании, она может производить высококачественную нефть из пластиковых отходов с соблюдением высоких требований безопасности.
Как тебе такой пластик, Илон Маск?
Самый богатый человек в мире высказывал идею производства доступных модульных домов. Речь о высокотехнологичных, легких в монтаже и доступных мини-домах, при строительстве которых используются полимеры. Яркие стартапы Маска вообще не обходятся без полимеров (в той же «Тесле» и космических ракетах «Старшип» полимер PEEK играет важную роль).
Но если печатать на 3D-принтере пластиковые дома для жизни на Марсе Маск только собирается, то на Земле это уже давно реальность. В начале 2018 года во Франции напечатали полимерный дом. Пятикомнатное здание проекта Yhnova было воплощено в каркасном исполнении за 54 часа. После чего в необходимых местах его заполнили бетоном и довели до эксплуатационного состояния. Дом был напечатан из двух слоев полиуретана, известного своими изоляционными свойствами. 3D-печать в строительстве, судя по всему, имеет перспективу. Например, эмират Дубай принял постановление, что к 2030 году четверть всех возводимых зданий будут пластмассовыми, созданными на основе 3D-печати.
Дорогами пластика
Значительно улучшить эксплуатационные свойства дорожной сети позволяет технология, применяемая кампанией MacRebur. Она строит дороги с использованием пластиковых отходов в 30 странах мира. Для укладки одного километра полотна используется весовой эквивалент 740 541 полиэтиленового пакета. А 1 т специально разработанной строительной смеси содержит отходы, вес которых равен десяткам тыс. пластиковых бутылок. Эти дороги превосходят характеристики привычных аналогов из асфальта или бетона.
В нашей стране также внедрена практика укладки дорожного полотна с использованием переработанных шин, которые сделаны из полимерных соединений. После переработки шин остается дробленая резиновая крошка, так вот ее в качестве связующего компонента добавляют в материал для строительства дорог. Резиновую крошку порционно вводят в нагретый битум температурой 200 °С, далее резину плавят. После того как модификатор образует однородную массу с битумом, полученный раствор используется для укладки дорожного полотна.
Очиститель воды
На основе полимеров создаются различные материалы, играющие огромную роль в системах очистки питьевой, сточной и технической воды. Полимеры помогают решать проблемы загрязнения и обеспечивать высокое качество водных ресурсов, которые на данный момент остаются предметом серьезного беспокойства специалистов по всему миру. Да, среди загрязнителей есть и полимерные соединения, оказавшиеся в мировом океане исключительно по вине человека. Символично, что этот же вид материалов помогает очистить окружающую среду.
В декабре 2024 года бразильские ученые представили разработку, позволяющую удалять из воды пластиковые частицы. Новый метод отличается невысокой стоимостью, что немаловажно для последующего масштабирования. Убирают загрязнение магнитные наночастицы с помощью полимера полидофамина. Он имитирует адгезивные, или, иными словами, клейкие, свойства мидий, которые очень крепко прилипают к многим поверхностям. То есть полимер буквально приклеивается к фрагментам пластика в воде и позволяет магнитным наночастицам захватывать их. На следующем этапе очистки загрязнитель удаляется из воды с помощью магнита.
Александр Чулок:
«Будущее полимеров многогранно. Однако, чтобы их возможности были в полной мере использованы обществом и компаниями, необходимо понимать облик будущего самого сектора хотя бы до 2050 года. Сделать это можно на базе классического форсайта — методологии, о которой недавно говорил президент применительно к искусственному интеллекту, который позволит вывести процессы производства отечественных полимеров на принципиально иной уровень».
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.