Новый пластик превращается в пар при нагревании и затем восстанавливается
Химики разработали необычный полимер, который при сравнительно невысокой температуре способен превращаться непосредственно из твёрдого материала в пар, а затем вновь собираться в исходный пластик. По мнению авторов работы, такой принцип может открыть путь к созданию нового поколения материалов, которые будет проще наносить, удалять и перерабатывать.
Проблема переработки пластика во многом связана с его главным достоинством — высокой устойчивостью. Большинство полимеров специально создаются так, чтобы десятилетиями сохранять свои свойства. Однако именно эта стабильность затрудняет их разложение и повторное использование.
Исследователи из Университета Суррея в Великобритании предложили другой подход. Они создали полимер, состоящий из повторяющихся молекулярных звеньев 1,2-дитиолана. Его химическая структура позволяет многократно разрушать полимерные цепи до исходных компонентов, а затем вновь собирать из них тот же материал.
В основе материала лежат молекулы 1,2-дитиолана — циклического соединения, состоящего из атомов углерода, водорода и двух связанных между собой атомов серы. Особенности серных связей делают процесс разрушения и последующего восстановления полимерной структуры обратимым.
Главной особенностью нового материала стала его реакция на нагревание. При температуре около 90 °C полимер начинает разлагаться на более простые молекулярные компоненты и переходит непосредственно из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.
Обычные пластики для разрушения полимерных цепей часто требуют значительно более высоких температур — порядка 200 °C и выше. Кроме того, переработка может включать несколько химических стадий и приводить к образованию дополнительных побочных продуктов.
После охлаждения газообразные компоненты нового полимера способны вновь соединяться и образовывать исходный материал. Таким образом, пластик можно многократно переводить из одного состояния в другое без необходимости каждый раз синтезировать его заново.
Авторы продемонстрировали одно из возможных практических применений материала, покрыв им свёрнутую фильтровальную бумагу. Полимер образовал на её поверхности водоотталкивающий слой. Затем это покрытие удалили простым нагреванием, после чего бумага вновь приобрела способность впитывать воду.
Материал также испытали на возможность удаления примесей. В полимер добавили краситель Nile red, который обычно требует отдельных химических процедур для извлечения из пластика. В данном случае краситель удалось отделить от материала за один этап при нагревании.
Подобное свойство может представлять интерес для переработки полимеров, поскольку современные пластмассы часто содержат красители, стабилизаторы, наполнители и другие добавки. Их разделение обычно является одной из наиболее сложных и дорогостоящих стадий повторной переработки.
Полимерные покрытия широко используются в промышленности и строительстве. Они защищают поверхности от влаги, коррозии и износа, улучшают изоляционные свойства и могут использоваться для снижения трения. Материал, который можно легко нанести, а затем удалить без сложной химической обработки, потенциально способен найти применение в ряде подобных технологий.
При этом разработчики подчёркивают, что новый полимер пока представляет собой доказательство принципиальной возможности создания таких материалов. Он не предназначен для немедленной замены всех существующих видов пластика и сам по себе не решит глобальную проблему пластиковых отходов.
Однако работа демонстрирует новый подход к проектированию полимеров. Вместо создания максимально устойчивого материала с последующим поиском способов его разрушить исследователи предлагают заранее закладывать в химическую структуру возможность контролируемого обратимого разложения.
В дальнейшем аналогичные принципы могут использоваться при создании покрытий и других материалов, которые можно будет легче перерабатывать. Авторы также допускают возможные применения подобных полимеров в биомедицине — например, при разработке хирургических клеевых материалов, гидрогелей или систем адресной доставки лекарств.
Пока технология находится на ранней стадии, однако эксперимент показал, что полимер может существовать в своеобразном замкнутом цикле: твёрдый материал превращается при нагревании в парообразные молекулярные компоненты, а после охлаждения снова образует полимерную структуру.
Результаты были опубликованы в журнале Macromolecules.