Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
«Пластики!» — вот то «одно слово», которое прошептал безалаберному персонажу Дастина Хоффмана Бену мистер МакГуайр в фильме Майка Николса 1967 г. «Выпускник».
— Что конкретно вы имеете в виду? — спрашивает Бен.
— У пластиков великое будущее. Подумай об этом. Ты подумаешь об этом?
Эта незабываемо занятная и непонятная сцена содержит больше чем просто зерно истины. Пластики, или полимеры, изменили мир. Полимеризация — это химическая реакция, при которой многочисленные небольшие молекулы, или мономеры, соединяются в цепь или сеть, образуя макромолекулу — единую протяженную молекулу с тысячью атомов и почти всегда со скелетом из атомов углерода. Природные полимеры есть у всего живого: это, к примеру, древесина, волосы и шерсть, мышцы, паутина, кожа, листья, сухожилия — список можно продолжать. Учитывая повсеместность этих соединений в биологии, химики не спешили соревноваться с природой и в конечном счете пытаться ее улучшить.
Каучук, который впервые начали использовать в его природной форме еще в мезоамериканских культурах более 2000 лет назад, стал одним из первых полимеров, привлекших внимание химического сообщества. Натуральный каучук получают из млечного сока каучукового дерева — необычного продукта, который, затвердевая, превращается в эластичный водонепроницаемый материал, способный принимать форму пластин, шаров и других полезных предметов. Но в своем необработанном состоянии, полученном прямо из рук природы, этот материал обладает множеством нежелательных свойств: натуральный каучук слишком липкий и слишком пахучий, он становится текучим, когда слишком жарко, и хрупким (трескается), когда слишком холодно. Причины всех этих свойств — как желательных, так и нежелательных — кроются в структуре каучукового полимера. Длинные прочные углеродные цепочки молекул каучука могут скользить друг по другу, обеспечивая и крепость, и гибкость, но только в узком диапазоне температур.
Современная индустрия полимеров, куда входит обширный и постоянно расширяющийся тип материалов, называемых пластиками, начала развиваться с изобретения в 1830-х гг. вулканизации — инновации, заявленной соперничающими американскими и британскими химиками. Вулканизация — это химический процесс, при котором сера или другое химическое вещество, добавленное к полимеру, устанавливает крепкие поперечные связи, своего рода молекулярные поперечные распорки. В результате получается гораздо более твердый и прочный материал (и менее пахучий вдобавок). Что касается резины, то процесс добавления серы к клейкому соку каучукового дерева и тепловой обработки смеси привел к получению значительно улучшенных продуктов, которыми мы пользуемся сегодня: это перчатки, галоши, ластики для карандашей, шланги, ленты-резинки, воздушные шарики, надувные лодки и, конечно, шины для любого транспортного средства на колесах. Еще ряд добавок обеспечивает гораздо более твердые варианты резины — для изготовления футбольных шлемов, колес скейтборда, шаров для боулинга и недорогих кларнетов.
Неспокойные годы после Первой мировой войны стали свидетелями потрясающей трансформации химии: химики все больше начинали думать о материалах на уровне атомов — исходя из молекулярной структуры материалов. В 1920 г. немецкий химик Герман Штаудингер открыл, что полимеры представляют собой гигантские молекулярные цепи, прочный скелет которых образуют атомы углерода. За это исследование спустя три десятилетия он получил Нобелевскую премию по химии. Выявление Штаудингером различных природных биополимеров, в частности каучука, белков, крахмала и целлюлозы, доказало, что макромолекулярные вещества распространены повсюду. Ученый также предсказал, что когда-нибудь будут разработаны синтетические полимеры, по свойствам конкурирующие с природными материалами.
Несмотря на открытия Штаудингера и его верное предвидение будущего, химики, занимающиеся синтетическими материалами, поначалу находились в тупике. В середине 1920-х гг. у исследователей все еще не получалось создавать макромолекулы длиной более нескольких десятков мономеров — это слишком «коротко» для любого практического применения. Но по правде говоря, несколько новинок все же появилось. Бельгийско-американский химик Лео Бакеланд экспериментировал с нагретыми смесями распространенных химических веществ фенола и формальдегида, чтобы создать синтетический шеллак (вещество, которое раньше получали почти исключительно из экскрементов насекомых — лаковых червецов).
В 1907 г. Бакеланд усовершенствовал методы синтеза и получил свой первый пластик, впоследствии названный бакелитом — продукт, использовавшийся в скромных количествах для разноплановых нужд, включая изготовление ставших ныне коллекционными объектами разноцветных кухонных принадлежностей, игрушек и украшений. Через пять лет швейцарский химик Жак Бранденбергер представил миру целлофан — гибкую водонепроницаемую пленку, полученную в ходе воссоздания целлюлозы деревьев и других растений. Коммерческий успех к целлофану пришел, когда конфетная компания Whitman's решила заворачивать в него отдельные шоколадки для комплектации своих знаменитых коробок конфет Whitman's Samplers. Тем не менее фундаментальные достижения в исследовании полимерной химии запаздывали, пока взрыв открытий в 1930-х гг. не привел к появлению новых материалов, которые изменили мир.
В те годы, когда работал блестящий молодой химик Уоллес Карозерс, в химии царила атмосфера оптимизма и открытий. Карозерса, имевшего за плечами ученые степени Иллинойсского университета и год преподавания в Гарварде, пригласили в исследовательские лаборатории химического гиганта DuPont в Уилмингтоне, штат Делавэр. Руководство DuPont, убежденное в том, что коммерческий успех основан на фундаментальных исследованиях, в 1928 г. предложило Карозерсу вести группу, задача которой состояла в «инновационных исследованиях» полимерной химии. Карозерс и его коллеги быстро добились успеха, создав в 1930 г. первую синтетическую резину «неопрен», ныне всем известный материал для изготовления эластичных наколенников и гибких гидрокостюмов.
Наиболее значимый прорыв Карозерса произошел в феврале 1935 г., когда он изобрел нейлон — необыкновенный полимер, который можно нагреть, расплавить и сформировать из него волокна, пленки и множество других форм. Как новое вещество нейлон дебютировал в виде щетинок сувенирных зубных щеток, поступивших в продажу в 1938 г., а затем стал материалом для женских чулок, представленных на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 г. Однако по-настоящему широкое применение нейлон получил в армии во время Второй мировой войны, прежде всего в качестве заменителя парашютного шелка. Поскольку сфера использования материала резко расширилась, нейлон принес DuPont сотни миллиардов долларов прибыли.
Но Уоллес Карозерс этого успеха уже не увидел. Страдая от депрессии, переживая смерть своей сестры, чувствуя, что личная жизнь не сложилась и химическое вдохновение исчерпалось, он покончил с собой, проглотив цианистый калий через два дня после своего 41-го дня рождения.
Карозерс был дотошным химиком. Годами он носил капсулу цианида прикрепленной к цепочке часов. Он хорошо знал, как происходит отравление этим ядом: цианогруппа C≡N блокирует поступление кислорода в клетки тела. Такая простая молекула: два атома — углерод и азот, оба необходимые для жизни. Но атом углерода, соединенный тройной связью с атомом азота, вызывает смерть после того, как сердце и центральная нервная система отказывают. Будучи химиком-творцом, Карозерс растворил капсулу цианида в лимонном соке — кислоте, которая ускоряет воздействие яда.
Читая в Университете Джорджа Мейсона курс научной грамотности для студентов, я демонстрирую им простую полимеризацию с помощью безопасного и дешевого химического набора, имеющегося у любого представителя армии поставщиков образовательных материалов. Поликонденсация — распространенная промышленная химическая реакция, когда многочисленные мономеры, каждый из которых представляет собой небольшую углеродсодержащую молекулу, соединяются концами друг с другом, формируя длинный, похожий на цепочку, полимер. В случае поликонденсации образование каждой новой химической связи высвобождает небольшую молекулу (обычно это вода или углекислый газ).
И все прошло бы хорошо, если бы я следовал инструкциям.
Сначала налить две жидкости — одну бесцветную, другую янтарного цвета — в пластиковую чашку. Затем тщательно перемешать их. Подождать две-три минуты. Реакция начинается медленно, с постепенным образованием мягкой желтой пены, но она ускоряется, когда пена поднимается куполом над краями чашки, переполняет ее, заливает стол и прилипает ко всему, чего коснется (в том числе и к пальцам). Пена рождается из молекул углекислого газа, которые высвобождаются при реакции поликонденсации. Всё это липкое месиво постепенно затвердевает в округлый прочный комок полиуретана — материала, идеально подходящего для безопасной упаковки хрупкой электроники, а также — в виде монтажной пены — для заполнения труднодоступных трещин и полостей.
Оглядываясь назад, я понимаю, что смешивать жидкости в пластиковой бутылке и закручивать на ней крышку было очень плохой идеей — особенно потому, что я не пробовал это делать раньше. Эксперимент начался хорошо, но, когда обычное пенообразование замедлилось, а потом и прекратилось, меня осенило, что в тонкой пластиковой бутылке, должно быть, увеличивается давление. По сути, я собрал перед аудиторией небольшое взрывное устройство и давление в нем быстро возрастало.
Это было глупо. Не пытайтесь повторить эксперимент дома.
Что же следовало сделать? Мне представлялось логичным уменьшить давление как можно быстрее, так что я начал откручивать крышечку и… БАХ! Открученная крышечка выстрелила прямо в потолок, отскочила от него и приземлилась в полуметре слева от меня. За этим метательным снарядом последовал потрясающий выплеск полиуретана, внезапно освобожденного из-под давления. Желтая масса выстрелила вверх метров на восемь и забрызгала плитки потолка кусками липкой желтой пены. (Последствия этого казуса все еще оставались там, когда я в последний раз проверял лекционный зал №80.) К счастью, никто не пострадал, хотя нескольких студентов в первых рядах неожиданно разукрасили маленькие желтые комочки липкой пены.
Белки — это распространенные биополимеры, состоящие из линейной цепочки аминокислот, каждая из которых представляет собой небольшую углеродсодержащую молекулу. Структура белка определяется в основном точной последовательностью 20 разных аминокислот, используемых биологическими системами. Соединенные концами в эту последовательность, аминокислоты могут формировать плоские листы (как в хрящах), прочные волокна (волосы и сухожилия) или же более случайно закручивающиеся формы. Эти 20 аминокислот, сотнями или тысячами связанные вместе, способны образовывать белки почти всех размеров и форм, какие только можно себе представить.
Если речь идет о белке длиной в 147 аминокислот, то может показаться, что одна маленькая ошибка — например, валин вместо глутаминовой кислоты в шестом положении — не играет особой роли. Но форма белка — это всё, и каждая аминокислота вносит свой вклад в эту форму. Соберите белковый полимер неправильно — замените глутаминовую кислоту валином в шестом положении бета-цепи гемоглобина эритроцитов — и, если провести аналогию с зигзагом, дефектный полимер сделает «зиг» вместо «зага». В данном случае последствием станет серповидноклеточная анемия — разрушительная болезнь крови, которая поражает одного из каждых 500 афроамериканцев. Кровяные клетки неправильной формы переносят меньше кислорода, чем нормальные, а сцепление между собой их серповидных форм приводит к тому, что они застревают в узких капиллярах. Страдающие серповидноклеточной анемией могут испытывать множество симптомов, подрывающих жизненные силы, включая усталость и бессилие, хроническую боль и сердечные приступы.
Подобные точечные мутации являются причиной десятков других генетических заболеваний: муковисцидоз вызывает скопление слизи и приводит к хроническим легочным инфекциям; болезнь Тея — Сакса разрушает нервные клетки в спинном и головном мозге; еще ряд мутаций являются причиной разнообразных нарушений зрения, которые вызывают дальтонизм. Некоторые ошибки в последовательности белковых аминокислот — как наследственные, так и приобретенные в течение жизни под воздействием физических и химических факторов риска — могут приводить к разным видам рака.
Если мы проживем достаточно долго, то испытаем на себе — причем все — воздействие таких губительных белковых ошибок.
Пластики определенно стали чудом нашего материального века, поспособствовав появлению целого спектра дешевых универсальных продуктов, которые имеют отношение ко всем сторонам повседневной жизни. Проблема в том, что мы производим гору пластика и слишком много его беспечно выбрасывается. Бесчисленные миллионы тонн пластика — от километров замусоренных берегов вдоль Мексиканского залива до гигантских плавающих массивов в Тихом океане и «украшенных» пластиковыми пакетами неряшливых кустов в открытой ветрам сухой пустыне Сахара в Марокко — уродуют некогда девственный ландшафт. Что же делать?
Предпочтительная стратегия — разрабатывать пластик, который самоуничтожается, постепенно распадаясь, когда его срок годности заканчивается. Идея заключается в том, чтобы использовать деполимеризацию — распространенный тип химической реакции, при которой полимерные связи разрушаются. Когда полимерная цепочка или сеть распадается на меньшие, не соединенные части, растворимые фрагменты молекул могут просто вымываться и возвращать атомы углерода в их природный цикл. Новые виды пластика обладают этой способностью, особенно те полимеры, которые могут разрушаться голодными микробами.
В некоторых случаях биоразложение пластика нас не устраивает. В конце концов, вы же не хотите, чтобы ненасытные микробы разъели поливинилхлоридные трубы, подключенные к вашему туалету? Но многие другие продукты — магазинные пакеты, одноразовые стаканчики и соломинки, упаковка для еды, подгузники и тысяча других недолговечных вещей — используются один раз и выбрасываются. Из более чем 300 млн т производимого ежегодно пластика перерабатывается только около 10%. Было бы здорово, если бы непереработанное исчезало с суши или из океана как можно быстрее. Особенно хорош пластик нового поколения, основанный на крахмале — полимере, который распадается в течение нескольких месяцев после компостирования. Но пластикового мусора по-прежнему слишком много, и здесь на помощь должна прийти инженерная мысль.
Другие проявления деполимеризации более проблематичны, даже опасны. Нейлон — как раз такой случай: он разлагается под действием солнечного света в течение длительного времени. Этот процесс медленный; каждый раз, когда случайная волна ультрафиолета разбивает связь, разрывается лишь одно из бесчисленных триллионов звеньев в постепенно слабеющей полимерной цепи. Кроме того, процесс этот практически невидим: вы, возможно, никогда и не заметите изменения прочности нейлоновой веревки на атомном уровне.
Мой коллега и друг Фил Раппапорт, тоже выпускник Гарварда, любил альпинизм. Он всегда использовал одну и ту же «счастливую веревку» — которая годами подвергалась прямому солнечному свету в погожие дни восхождений. Когда Фил разбился в Уэльсе солнечным днем 1974 г., он упал с высоты всего 10 м. Но это было неудачное падение, и Фил умер мгновенно.
В Италии паста вкуснее. Дело не в том, что вы едите ее в Италии, а в основном в том, что итальянцы по-другому делают пасту и затем готовят ее до приятно-твердого состояния — аль денте, или «на зуб».
Для лучших макарон ручной работы характерны три фактора. Первое главное отличие отменной итальянской пасты обеспечивают ингредиенты. Государственный контроль диктует использование 100%-ной белой муки из твердой пшеницы, известной в Соединенных Штатах как семолина. Этот предпочтительный сорт муки имеет высокое содержание белков (известных нам под общим названием «глютен»), обеспечивающих эластичную структуру первоклассного теста макаронных изделий.
Второй фактор — тщательная подготовка теста, отработанная столетиями последовательность действий, сложившаяся как путем проб и ошибок, так и на основе результатов научных исследований. В воде глютен образует объемную полимерную сеть белков, которые при замешивании теста крепко связываются с частицами крахмала (он и сам является сложным полимером молекул сахаров). Большое значение имеет время: тесто нужно месить не менее 20 мин, чтобы максимально увеличить контакт семолины с холодной водой. Затем пасту с силой продавливают через специальные головки с отверстиями (их сотни видов), чтобы получить нужную форму: ракушки, бантики, спиральки, короткие толстые трубочки, срезанные под углом короткие трубочки и десятки других. Старомодные бронзовые головки предпочтительнее тефлоновых, потому что металл придает пасте более шероховатую поверхностную текстуру, на которой лучше удерживаются соусы. Наконец, в отличие от макаронных изделий массового производства, паста ручной работы сохнет день или два при скромной температуре 50 °C — достаточно низкой, чтобы полимеры белка не распались, а между глютеном и крахмалом образовались прочные связи. Полученная в результате сухая и хрупкая паста-полуфабрикат легко упаковывается и развозится по домам и ресторанам.
Приготовление — третий ключ к получению отличной пасты. Нагревание при варке разрушает полимеры. Это хорошо, когда вы имеете дело с жестким куском мяса или волокнистыми сырыми овощами. Того же результата можно добиться путем маринования, «размягчая» (т.е. деполимеризуя) еду чисто химическими средствами. Но — будь то овощи, мясо или паста — между слишком жестким и слишком мягким существует золотая середина. По мере того как пасту варят на слабом огне, она размягчается, поглощая все больше воды, при этом глютен и крахмал начинают деполимеризоваться. Хорошая паста требует достаточно долгой варки, чтобы достичь состояния аль денте, но все же не слишком длительной — чтобы не превратиться в кашу.
Скрипач Фред Шуп — долгожитель на сцене любительской камерной музыки Вашингтона (округ Колумбия), «аксакал» более чем пяти десятилетий музицирования, в частности импровизаций. Долгие годы выступлений выдает обширная нотная библиотека Фреда; особенно заслуженной выглядит его концертная партитура 68 струнных квартетов Гайдна. На недавней репетиции «Жаворонка» потрепанные и пожелтевшие листы с партией первой скрипки Фреда (издание середины XIX столетия, сейчас уже переплетенное в прочную серую крапчатую обложку с красным тканым корешком) буквально рассыпались на части. Когда музыкант быстро перевернул первую страницу во время короткого перерыва, хрупкая бумага растрескалась, как тонкая стеклянная тарелка. Деполимеризация снова нанесла удар.
Это был не первый и не последний раз, когда Фред Шуп попросил паузу, чтобы осторожно выровнять и склеить скотчем обрывки. Кусочки бумаги, потерянные безвозвратно, оставили маленькие угловатые дырочки там, где должны быть ноты. Фред играл это произведение достаточно часто, чтобы заполнять пробелы по памяти.
Четыре толстых тома музыки — партии первой и второй скрипки, альта и виолончели — уже были древними и выглядели подозрительно, когда Фред купил их полстолетия назад в немецком Штутгарте. Десятилетия его касаний смычком и дотошных пометок карандашом, многие из которых были стерты, а потом сделаны заново, навредили и без того ослабленным страницам. Обветшание столетней бумаги, болезненно знакомое библиотекарям и коллекционерам рукописей и редких книг, — непреднамеренное последствие промышленного века, когда повышенный спрос на дешевую бумагу привел к автоматизированному производству.
Бумага — это всего-навсего проклеенное переплетение биополимера целлюлозы, самой распространенной биомолекулы на Земле. Волокна целлюлозы — главной составляющей древесины, стеблей, корней и листьев — представляют собой полимерные цепочки из сотен и тысяч молекул глюкозы, сахара с кольцом из шести атомов углерода. Прочность бумаги зависит от ее толщины и длин молекул целлюлозы. Усовершенствованные промышленные процессы производства этого материала за последние 150 лет привели к выпуску более тонкой и непрочной бумаги с более короткими, механически перетертыми нитями целлюлозы. Использование в массовом производстве кислот при промывке и переплетении бумаги ускоряет процесс разложения целлюлозы — деполимеризацию, которая еще больше ослабляет листы. Целые библиотеки желтой прессы, комиксов и бульварных романов XIX и XX вв. превращаются в пыль.
Тем не менее сложно не заметить в старении нот Фреда Шупа аналогию для всех нас. Мы все деполимеризуемся: стареющие кожа, волосы, мышцы и кости — все ослабевает, по мере того как цепочки углеродсодержащих молекул распадаются.
Войти с помощью соц. сетей: