Полимеры, изменившие мир - умные полимеры.

Полимеры, изменившие жизнь - умные полимеры.

Полимеры, изменившие жизнь.

   Лекарства, которые самостоятельно находят заболевший орган, упаковка подающие сигнал об окончании срока годности, пластиковый пакет, разлагающийся после использования. Можно ли наделить умными свойствами привычные вещи, двадцать лет назад этой идеей казалось не осуществимой, для современной науки это реальность. 

   Мы знаем, что решения существуют, что природа в ходе молекулярной эволюции создала "умные полимеры". Если мы будем идти по этому пути, то тут могут быть самые удивительные открытия. Вещи получают интеллект благодаря новым умным материалам.

   Полимеры это линейные цепи, состоящие из большого (N1) числа одинаковых звеньев. Для синтетических полимеров, как правило, N~ 10²-10⁴; Для ДНК N ~ 10⁹-10¹⁰

“Умные полимеры”.

   Крахмал, пластиковый пакет, цветок, мех для обывателей между ними нет ничего общего, но сточки зрения химии они как двоюродные братья, на самом глубоком молекулярном уровне. И крахмал, и пакет и мех, и живое растение состоят из длинных молекулярных цепочек – полимеров. Молекула воды состоит из трех атомов, в макромолекуле полимера их может быть сотни тысяч.

   Полимеры бывают по крайней мери двух видов - природные полимеры, синтетические полимеры. Природные полимеры это нуклеиновые кислоты, полисахариды, белки, т.е. из чего состоит человек.  А то, что мы придумали это синтетический полимер.

   Первый синтетический полимеры появились в лаборатории более 100 лет назад. Представить современную жизнь без полимерных материалов уже невозможно. Без полимеров мы лишимся всего, не сможем летать, не сможем ездить, даже могут возникнуть проблемы с пищей.

   Самый распространенный полимерный материал – полиэтилен. Он используется повсеместно от упаковки продуктов до космических технологий. В самом названии полиэтилен содержатся указание на то, что в веществе чего то много. В случае полимеров много элементарных звеньев в молекуле.

   Полимерами называются макромолекулы, построенные регулярным построением одних и тех же структурных фрагментов. Представим молекулу этилена в виде кружочка и еще пару молекул этилена, если эти молекулы будут соединены, то получится полимер – полиэтилен, что приведет к изменению всего комплекса физико-химических свойств, если исходный мономер этилен является газом при нормальных условиях, то полиэтилен является твердым продуктом.

   Полиэтилен как мы уже сказали, является твердым продуктом и на производстве изделий из него выглядит в виде жестких гранул и скоро они превратятся в обычный полиэтиленовый пакет. Для получения пленки их необходимо разогреть до 200 градусов. Под воздействием температуры гранулы полиэтилена расплавляются, превращаются в текучую массу.  Внутри трубы, куда они подаются, стоит винт Архимеда, который похож на обыкновенную бытовую мясорубку, из этой расплавленной массы мы получаем пленку. 

   С точки зрения современной химии полиэтилен полимерное вещество без выдающихся качеств. Последние 20 лет ученые работают над материалами с гораздо более сложными характеристиками, они изначально обладают необычными свойствами. Такие материалы получили название “умные полимеры”. Полимеры, которые могут целенаправленно изменять свои свойства под небольшим воздействием внешней среды. Любое тело меняет свои свойства, например вы, нагрели что-то, оно расширяется или плавится, охладили воду, она замерзла. А у полимеров есть такие точки,    переход через которые заставляет полимеры обладать совершенно другими свойствами.

   Пример: “Умный пластилин” – его основной компонент полидиметилсилоксан, полимер который сочетает в себе несколько необычных свойств. В зависимости от условий он ведет себя по-разному, в состоянии покоя он растекается как жидкость, при резком механическом воздействии разрывается на куски как твердое тело. “Умный пластилин” был получен случайно, его изобретатель смешал силиконовое масло с борной кислотой в надежде получить новый вид резины, но клейкая масса оказалась не на что не похожей. 

   В современных лабораториях свойства новых веществ рассчитываются на молекулярном уровне. Прежде всего, возникает идея, идея о тот как мы можем при помощи различных внешних воздействий  изменять структуру и свойства полимеров, затем согласно, этой идеи мы осуществляем синтез наших сложных много функциональных полимерных материалов. Уникальные свойства таких материалов заставляют по-новому взглянуть на привычные вещи, сделать жизнь комфортнее и найти ответы на вопросы ранее казавшимися не разрешимыми.

Гидрогели.

   Гидрогели – твердые гранулы, полимерное вещество способное за пару часов увеличится в объеме больше чем в десять раз. Все что для этого нужно вода, разбухнув гранулы, станут мягкими как воск, когда вода испарится, они снова уменьшатся и затвердеют. Подобные вещества называются – супер абсорбентами, они не только поглощают огромное количество воды, набухший полимер удерживает её внутри собственными молекулами.

   При поглощении растворителя полимером происходит растяжении клубков, т.е. в исходном состоянии сжатый полимерный клубок поглощает в себя растворитель, например воду и происходит её включение внутрь клубка.

   Этот принцип лежит и в основе эко почвы, гидрогели, используемые в сельском хозяйстве. Обычно при поливе растений большая часть воды уходит в более глубокие слои почвы. Добавленный в почву гидрогель не позволяет утечь ей как сквозь пальцы, даже если растение пустит корни сквозь гранулу, вода из неё не выльется. 

   Так как молекулу воды встроены внутрь полимерных цепей гидрогеля, то при физическом разрушении гидрогели не наблюдается вытекания воды, а система сохраняет такие же свойства, как и до разрушения.

   Самый яркий пример работы супер абсорбента детские одноразовые подгузники, даже тот, кто не сталкивался с ними, знает принцип работы. В многослойной конструкции содержится тот же полимер впитывающий жидкость как губка. Гидрогель, подобное вещество из подгузника способен выполнять и более серьезную работу, например в нефтедобывающей промышленности. Вот “умный полимер” она сама находит места водопротоков в скважине и блокирует их.

   В нефтедобыче давно существуют серьезные проблемы. При откачке на каждую тонну “черного золота” приходится три тонны воды. На очистку нефти от лишней жидкости тратятся огромные средства. Долгое время ученые искали способ отделить нефть от воды до того как она попадет в трубопровод, решение было найдено в лаборатории Московского государственного университета.

   Полимерная жидкость закачивается в нефтяную скважину и она ведет себя по-разному в зависимости от того проходит скважина через водный пласт или через нефтеносный пласт.

   Принцип действия достаточно прост. Попав в скважину, полимерная жидкость по разному реагирует на нефть и воду, с “черным золотом” она в реакцию не вступает, но когда на своем пути полимер встречает воду, он тут же впитывает её. Набухший гель как пробка от бутылки закупоривает пласт воды и не выпускает её наружу. Расширение гидрогеля создает дополнительное давление на нефть что приводит к её выдавливанию наружу в чистом состоянии.

   Очищать нефть приходится не только от воды, около 80% этой горючей жидкости находится в песчаниках, смесь нефти с песком не только сложно разделить на составляющие, но и тяжело выкачивать, “умные полимерные вещества” помогают получить чистую нефть.

   Сама по себе нефть является поверхностно активным веществом по отношению к песку, т.е. она сидит на частице песка. При добавлении полимеров, которые обладают большей поверхностной активностью, чем нефть происходит следующее: полимер садится на частицу песка, а нефть с неё слетает.

   Полимерные вещества способны не только отличить одну жидкость от другой, в зависимости от среды и вести они себя могут по-разному. 

Некоторые полимеры обладают свойством реагировать на изменения внешней среды, так “умный пластилин” меняет цвет в зависимости от температуры. В холодной воде заметно темнеет, если перенести его в воду комнатной температуры возвращается к своему первоначальному цвету. При изменении температуры изменяется плотность клубка, т.е. чем ниже температура, тем клубок имеет меньший объем и таким образом при понижении температуры происходит выдавливание красителя, а при его увлечении краситель втягивается в клубок, что и  приводит к изменению цвета.

   Полимер выдавливает краску как губка воду, а что если заменить краситель лекарством, сможет ли полимер контролировано выдавать нужную дозу препарата? Есть такое направленное транспортное лекарство в живом организме, эта проблема, которая решается и которую необходимо решать  достаточно серьезно бьются.

   Большая часть лекарственных препаратов расходуется впустую. Таблетка не умеет находить больной орган, растворившись в желудке, она через кровь разойдется по всему организму, до нужного места доберется не более 10% препарата. В идеале, лекарство должно попадать сразу к больному органу и не вызывать побочных эффектов. Но как доставить его в пункт назначения, не растеряв по дороге. Лекарство нужно запечатать как письмо, в конверт с точным адресом, его вскроют только там, где письмо очень ждут.

   Представьте себе, что у вас что-то в пятке какое-то заболевание и вам нужно, чтобы лекарство было там. Мы берем полимер, у которого температура перехода 37 градусов. Мы привязываем к нему лекарство, которое необходимо доставить его туда,  затем вводим его в кровоток, он растворяется. Но если мы опустим ногу в ванну с горячей водой и нагреем воду выше 37 градусов, то весь полимер соберется там, собираясь, там он принесет и лекарство которое с ним связанно.

   “Умные полмеры” могут реагировать не только на температуру, они чувствительны к любому изменению среды, на которую они будут запрограммированы. Мы знаем, что ранение сопровождается подкислением, т.е. среда становится кислой, а вот этот гель сделан, так что при подкислении он немного сжимается, помазав он сжимается, и выдавливает лекарство, которое ему было введено.

   На основе полимерного геля создали уникальное лекарство - ранозаживляющие гидрогели. Гидрогель состоит из восьми компонентов, которые смешиваются в дистиллированной воде в определенной последовательности. В промышленных масштабах каждый компонент добавляется с определенным интервалом времени, при реакции эти вещества создают стойкую полимерную структуру, в которую затем добавляется лекарство.

   Гель представляет собой транспортное средство, который в микрокапсулах содержит лекарственный препарат, еще его называют “умный гель” – потому что не зависимо от людей, которые его применяют, он сам ищет и находит места поражения и оказывает помощь. В составе гидрогеля не одно а сразу несколько лекарств, попав на рану полимер отдает их поочередно, в зависимости от того что требуется организму обезболить или начать процесс заживления, лекарство на рану поступают постепенно причем продолжительное время, а потом его можно просто смыть водой. До этой работы ничего подобного в России не было.

   По тому же принципу действует и оболочка капсулы (таблетки), она изготовлена из специального полимера, он отвечает не только за доставку медикаментов по назначению, но и за выделение определенной дозы лекарства в течении долгого времени.

   Если взять и выпить такую таблетку пролонгированного удлинённого действия, то оптимальная концентрация вещества, обладающая лечебным эффектом будет длительное время поддерживаться организмом, при введении этого же вещества в не связанном виде оно мгновенно расходуется с передозировкой, т.е. оказывает токсический эффект.

   Идеальные лекарства особенно важны для людей, которые вынуждены принимать их постоянно, например, при сахарном диабете. 

 Придумано такое устройство, сосуд в котором очень много отверстий он заполнен полимерным гелем, если появляется глюкоза, она проникает через отверстия в сосуд и гель при этом сжимается, сжимаясь он из себя выдавливает инсулин, который в нем был, восстанавливая концентрацию глюкозы до предельного уровня, гель опять набухает и выделение инсулина не происходит.