УДИВИТЕЛЬНЫЕ ПРИКЛЮЧЕНИЯ КРАХМАЛА И ПАНЦИРЯ
Учёные работают над созданием уникального и очень полезного материала
Французский профессор, открывший в 1811 году хитин, и подумать не мог, какой бум возникнет через века в связи с его производным — хитозаном. Учёные относят это вещество к биополимерам. Био — потому что он выделяется из природных материалов. Например, это панцири крабов и креветок, оболочка пчел и даже мух. Свойства хитозана таковы, что его можно использовать и в медицине, и в промышленности, и в косметике, и в производстве продуктов — длинный список. Тысячи исследований по всему миру, сотни диссертаций. Многочисленные лаборатории работают над тем, чтобы приспособить хитозан на пользу человеку. Ведутся такие работы и у нас в Нижнем Новгороде на кафедре высокомолекулярных соединений и коллоидной химии химфака ННГУ. На кафедре работает коллектив сотрудников, аспирантов, магистров, студентов — около 30 человек. Душой команды и главной движущей силой является заведующий кафедрой профессор Сергей Дмитриевич Зайцев.
Металлов ион, иди вон
Всем хитозан хорош, кроме цены. В основном, его ввозят из Китая и Японии, где залежи панцирей различных морских обитателей велики. Потребителям он встает дорого: несколько тысяч за килограмм. Чтобы удешевить исследования и конечный продукт, нижегородские химики создали композиции на основе двух биополимеров: всем известного дешевого крахмала и хитозана. Где же они могут использоваться? Начнем по порядку. Чтобы быть в курсе всех новейших исследований, постоянно анализируется состояние отечественных и зарубежных достижений в этой области. На кафедре главный эксперт по хитозану — профессор Лариса Александровна Смирнова. Сам полимер благодаря своей структуре обладает удивительной способностью связывать почти все элементы периодической системы Менделеева (кроме двух). Отсюда широкая перспектива его использования — очистка сточных вод. Любой промышленный город сталкивается с проблемой загрязнения окружающей среды. Для очищения сточных вод от вредных веществ, в частности, от тяжелых металлов, используются так называемые сорбенты. Сорбенты умеют поглощать тяжелые металлы и за короткое время очищать воду. В нынешнем году университетские химики запатентовали способ получения пористого материала на основе крахмала и хитозана. Управляя процессом на разных стадиях, можно получать материалы с заданными свойствами. Например, прочный нерастворимый в воде сорбент для промышленной очистки воды от ионов металлов и неметаллов. Сорбенты на основе крахмала и хитозана могут использоваться предприятиями, на которых есть, например, гальванические цеха. Их стоки содержат как раз токсичные тяжелые металлы. Незаменимым представляется их использование для получения питьевой воды в чрезвычайных ситуациях. Пока этот способ очистки видится дорогостоящим, но это естественно на лабораторном этапе. Новое всегда поначалу дорогое. К тому же, материал сам по себе уже влияет на экономику, поскольку допускает повторное использование. В будущем это пригодится, как и безопасная утилизация.
Микропластик на обед
Еще одно перспективное направление — создание биоупаковки. — Зачем? — может спросить уставший от научных терминов читатель. — Мы прекрасно живем с полиэтиленовыми пакетиками. Кому нужна биоупаковка, ради которой приходится возить сырье через всю Азию из Китая? А вот кому. Пластик, к которому человечество привыкло за несколько десятилетий широкого использования и без которого невозможно представить современную жизнь, принёс тому же человечеству два весьма страшных последствия. Первое — сложности его утилизации. Второе — микропластик. Небрежное отношение к сбору и хранению полиэтиленовой и другой полимерной упаковки приводит к появлению микропластика, частиц с размерами меньше двух миллиметров. Микропластик появляется в процессе истирания пластика, истлевания, разрушения его под действием ветра и ультрафиолетового излучения, дефрагментации. Как только человек начал использовать пластики, количество микропластика немедленно стало расти, и эти мелкие частицы распространились по всему миру. — Сегодня микропластик уже найден в снегах Эльбруса и даже в пуповине младенцев, он плавает в водах Мирового океана, его поглощают с водой и просто глотают рыбы, и мы этой рыбой питаемся, — рассказывает аспирантка Екатерина Качалова, соавтор разработки. — Опасен не столько сам микропластик, сколько химические вещества, которые он впитывает. И тут не угадаешь, что мы съели с рыбой или выпили с водой, и какой сорт пластика — полипропилен или поливинилхлорид — проглотили. Публикации о микропластике начали появляться в 2019 году. О проблеме трубят на весь мир, но решений пока никаких нет. Мы не можем выкопать его из почвы или как-то достать из воды — невозможно же профильтровать весь Мировой океан. Однако возможно, как минимум, не увеличивать масштабы проблемы. И тут на помощь вновь приходят крахмал и хитозан. Биоупаковка из крахмала и хитозана имеет замечательное свойство: она не нуждается в промышленной утилизации, а подвергается биодеструкции под действием обычных почвенных микромицетов (грибов). Закопали упаковку под куст — через несколько месяцев она исчезла. Это свойство учёные называют биодеградацией. И ни тебе проблемы переработки пластикового мусора, ни гор использованных пластиковых упаковок.
Море собирается из капель
По моей просьбе Екатерина открывает крышку агрегата, на которой лежит объявление: «Не ставьте сюда ничего, пожалуйста!» Агрегат — это плёнкозаливочная машина, под крышкой на подложке сохнут очередные плёнки. Полиэтилен пока обгоняет упаковку из биополимера по прочности, эластичности и водонепроницаемости. Исследователи, меняя состав, экспериментируют с плёнками: чтобы не растворялись в воде, чтобы были прозрачными, прочными, эластичными, биодеградируемыми. Добавишь один компонент — плёнка стала более прозрачной, но и более жёсткой. Добавишь другой — здесь улучшилось, там ухудшилось. Так и колдуют над плёнками. Крышка открылась: в плёнках много пузырьков. Красиво, однако! Но непрактично: пузырьки — это дефект, значит, ухудшается прочность. На этом этапе пока трудно представить, как биоплёнки будут делать в производстве, какую технологию используют. Но ведь есть же технология производства бумаги из волокнистой массы целлюлозы в воде. Путь от идеи до промышленного образца долог, он занимает несколько лет. Зато результатом этой разработки будут не только биоплёнки, но и ячеистые упаковки, вроде нынешнего пенопласта, который мы находим в коробках с бытовой техникой, и они тоже могут быть биодеградируемыми. — Пока нельзя говорить, что именно наша разработка спасёт мир от микропластика. Это капля в море. Но что есть море, если не множество капель? — задумчиво говорит Екатерина. В одном из следующих номеров мы продолжим рассказ об удивительных свойствах природных биополимеров и возможностях их использования, над которыми работают химики ННГУ.
Светлана КУКИНА.
Фото предоставлено пресс-службой ННГУ.