Пластмассовый мир победил. Интервью с Сакиной Зейналовой, специалисткой по химии полимеров

— Сакина, давайте с самого начала — для тех, кто в школе путал Авогадро с авокадо: что такое полимеры, какими они бывают и чем интересны исследователям и технологам?

— Если с самого начала, то полимерами называют высокомолекулярные вещества, которые состоят из многократно повторяющихся звеньев. Здесь главное — что это за звенья и тот факт, что это вещества с большой молекулярной массой. Именно это отличает их от большинства органических соединений, которые, например, изучаются в школе. Благодаря большой молекулярной массе полимеры демонстрируют свойства, отличные от каких-либо органических веществ, что делает науку о полимерах уникальной.

Многократная повторяемость звеньев позволяет комбинировать их так, как мы хотим. Они могут идти поочередно, хаотично, следовать блоками друг за другом, суммарно имея всего два разных звена (скажем, бутадиен и стирол). Мы можем их комбинировать таким образом, что получим огромное количество вариаций с разными свойствами.

Но при разговоре о пластиках нужно понимать, что полимеры — только база. Кроме этой базы всегда есть функциональные добавки и наполнители. А теперь представьте огромное многообразие материалов, которые могут быть получены просто за счет комбинации разных добавок с одним и тем же полимером. Класс пластиков оказывается очень обширным.

— А каковы сегодня перспективы получения веществ с заданными свойствами? Помогут ли здесь квантовые технологии?

— Материалы с заданными свойствами известны уже давно. Другой вопрос, что их получение бывает дорогим, но сама такая возможность есть. Разработка таких материалов применяется в медицине (не только полимеров, но и в целом химических веществ), когда требуется подобрать нужную молекулу, которая точно будет работать, например в качестве наиболее эффективного лекарственного средства. На основе расчетов (в том числе иногда и квантовых) ученые определяют, какая конфигурация молекулы будет наиболее оптимальна. Вычисляют, как молекула будет взаимодействовать с рецепторами, через какие химические группы, как будет проходить метаболизм. И создается некий пул вариантов для поиска идеально работающего вещества.

Например, в области химии, разрабатывающей фармсубстанции для медицины, активно используется метод химического моделирования, когда при помощи всевозможных программ прогнозируются все варианты молекул и их конфигураций, которые теоретически могли бы подойти. Дальше отбрасываются те, которые не подходят по определенным параметрам. Такая предварительная сортировка молекул значительно сокращает расходы на получение новых веществ и экономит годы на их изучение.

Намного проще отобрать 100 молекул из 1000, синтезировать их и пробовать в тестах in vitro и in vivo, нежели синтезировать весь этот огромный пул материала и тестировать его.

Сегодня создание материалов с заданными свойствами — не мечта. Это не самая дешевая опция, но вполне возможная для определенных областей.

— В период гуановой лихорадки химики всего мира искали экономически выгодный способ связывания атмосферного азота, что обещало Клондайк и определенную победу над голодом. Тревожит ли умы современных химиков такой гипотетический Клондайк?

— Смотря химика какой специальности вы спросите. Все занимаются очень разными вещами. Лично мне кажется, что одно из самых важных и перспективных направлений — это создание веществ для селективной доставки лекарств. Медицина — наиболее финансируемая область, и на создание лекарственных препаратов выделяются миллиарды долларов, но всё еще неясно, как со 100%-ной точностью их доставлять. Именно поэтому мы имеем побочные эффекты даже от эффективных лекарств. Если бы удалось создать такие транспортные молекулы, которые присоединялись бы только в нужных областях, тогда нам удалось бы выйти на совершенно другой уровень жизни. Например, люди, проходящие химиотерапию, меньше страдали бы от ее тяжелых побочных эффектов.

Гуановая (азотная) лихорадка — разгоревшаяся в XIX веке конкурентная борьба европейских держав и компрадорских элит за разработку гигантских залежей минерализованного птичьего помета на прибрежных островах Южной Америки. Вывозившие помет суда периодически подвергались пиратским захватам, а в регионе разгорались полномасштабные войны за гуано. Месторождения разрабатывались за счет принудительного труда индейцев, которые гибли от насилия надсмотрщиков, из-за полного отсутствия какой-либо охраны труда, а нередко решались и на суицид. С 1851 по 1872 год с гуановых островов вывезли свыше 10 млн тонн ценного для аграрной и оружейной промышленности сырья, что вдвое снизило уровень надводных частей скалистых островов.

Лично меня, как человека, вовлеченного в область автомобилестроения, искренне интересует производство батарей для электромобилей и то, как будут утилизироваться те, что уже есть. Будут ли дешевые методы безопасной утилизации? Станут ли сами батареи дешевле, из чего они будут изготавливаться? Удастся ли увеличить их мощность (и мощность электромоторов), чтобы машина ехала дольше без подзарядки? Когда мы перейдем этот рубеж, можно будет говорить о полной электрификации всех наших транспортных средств. Это сильно изменит качество жизни людей. Пока электромобили хоть и составляют некоторую конкуренцию обычным авто, но если речь заходит о дальних расстояниях, приходится отдавать предпочтение последним.

Еще один вопрос, который интересует многих, кто задействован в области полимеров, — это наиболее эффективная их вторичная переработка. Есть огромное количество пластикового мусора, и не весь он может быть переработан, учитывая имеющиеся сейчас технологии. В будущем же могут появиться способы, которые позволят получать вторичные полимеры лучшего качества, а также распространять методы вторичной переработки на менее популярные и более дорогостоящие полимеры.

Новым Клондайком могут стать селективная доставка лекарств, эффективная вторичная переработка полимерных материалов, аккумуляторы и моторы для электротранспорта.

— Советский химический научпоп середины ХХ века крайне оптимистичен. Высокополимеры-иониты вот-вот решат проблему дешевого опреснения морской воды (попутно еще и дадут людям металлы из нее)! Растениеводство должно получить стимуляторы, которые в десятки раз увеличат урожаи. А овладение фотосинтезом вообще сделает человека всемогущим! Сегодня опреснение всё еще очень дорого, пестициды/гербициды — почти синонимы чумы, фотосинтез не воспроизведен. Почему существующие в химических лабораториях инновации не удается перенести в промышленность? И почему так плохо прогнозируются побочные эффекты химической продукции?

— Советская химия в будущее смотрела оптимистично, но порой не вполне обоснованно. Сейчас ученые скептичнее относятся ко многим вещам, они понимают: не все идеи могут быть реализованы в полной мере, есть очень много влияющих факторов. Действительно, существует огромное количество перспективных разработок, которые иногда даже выходят на уровень небольших производств и стартапов. Но такая удача настигает не всех.

Нас на химическом факультете учили, что есть разные этапы синтеза: в маленьком лабораторном реакторе, в модельном реакторе на 15—20—50 литров, и последний этап — уже в промышленных масштабах, где нужно учитывать термодинамические процессы и многие другие факторы.

Так происходит повсеместно. Нужно просто констатировать, что некоторые идеи можно реализовать без проблем, а некоторые будут сталкиваться со сложностями. Посмотрим, например, на производство биоразлагаемых материалов из отходов. Идея кажется классной! Вот есть отходы, которые мы очищаем и получаем нужное нам сырье, например хитозан, крахмал или целлюлозу, и у нас есть на выходе какой-то продукт на основе биополимеров, который можно использовать. Меньше мусора, больше пользы. Но есть нюанс. В реальности оказывается, что состав поступающего сырья может быть нерегулярный, от этого нерегулярной будет и рецептура производства. Если полученный продукт — биоразлагаемый, то возникнут сложности с его хранением и сроками реализации. Эти и многие другие нюансы на протяжении всей производственной цепочки будут всплывать неизбежно.

Можно проделать внушительные расчеты, но всегда может появиться какой-то неучтенный фактор. Такова реальность. Мы должны принять, что не все проекты могут быть реализованы, но нужно стремиться к тому, чтобы их было как можно больше.

— Ида Гадаскина и Николай Толоконцев в своих популярных очерках по истории ядов пишут, что промышленная токсикология в социалистических и капиталистических странах имела противоположно направленные подходы. В первых предполагались профилактика и упреждение возможного токсичного воздействия на рабочего или инженера. Во вторых — определение источника такого воздействия и его причин уже постфактум. Как вы оцениваете это утверждение?

— Мне это утверждение представляется несколько лукавым. Мне кажется, во всех странах всегда пытались упредить возможные несчастные случаи, выбросы вредных веществ, создавали системы защиты. Если же говорить о том, где эти защиты были лучше, то, кажется мне, там, где лучше развивалась химическая промышленность.

Всему, чему мы научились, мы научились со временем. Как говорится, правила безопасности написаны кровью. Сейчас все работают на предупреждение возможного вреда и недопущение инцидентов на производстве, абсолютно все стараются обезопасить своих сотрудников. Но внутри конкретных предприятий эти системы безопасности могут быть разными: хуже или лучше. Здесь нужно говорить не про страны, а про конкретные предприятия. В России сегодня есть огромное количество производств, которые работают по последнему слову техники безопасности труда.

— А какие профессии на планете самые ядовито-опасные?

— По профессиям, связанным с опасными субстанциями, статистика мне неизвестна.

Мне кажется, в зоне риска абсолютно все, кто работает в нефтедобыче и переработке (то же самое с газом), те, кто занят в химическом производстве, те, кто работает с пылью, поскольку мелкие частицы — часто канцерогены первой категории. Опасны вообще сферы, связанные с вдыханием каких-то веществ.

— Резолюция Первой всероссийской конференции «Микропластик в науке о полимерах» (проходила 19–21 октября 2023 года в Великом Новгороде) констатирует не только тот факт, что человек сегодня не может обойтись без полимеров, но и рост их производства как из ископаемого топлива, так и из возобновляемых источников. Что за полимеры получают из последних?

— Это первая в России конференция, посвященная именно теме микропластика. Очень хорошо, что появляются такого рода мероприятия. Некоторым всё еще кажется, что микропластик — это какая-то несуществующая, мифическая субстанция. И пока мы решали, существует он или нет, ученые заговорили уже о нанопластике, то есть о частицах еще меньшего размера.

Пластика в нашей жизни не станет меньше: его будут производить всё больше и больше. Это абсолютно точно. В 1950-х, в самом начале производства, это было около 2 млн тонн в год, сейчас же мы подходим к годовой отметке в 400 млн тонн. Это число будет расти.

И здесь речь идет о совершенно различных видах полимерных материалов: от упаковки и синтетических тканей до пластиков для авиа- и ракетостроения.

В резолюции конференции упоминаются пластики из возобновляемых источников в качестве альтернативы существующим синтетическим пластмассам. Имеются в виду биополимеры из таких источников, как хитин, хитозан, целлюлоза, крахмал. Их мы уже касались выше. Биополимеры сегодня используются для получения разного рода материалов: биоразлагаемая посуда и пленки, экоткани и прочее.

Лично мне кажется куда более перспективным использование биоматериалов в медицине: там их способность к биорезорбируемости и нетоксичность могут составить серьезную конкуренцию традиционным технологиям. К примеру, композиты на основе хитозана могут быть отличными материалом для остеозамещения. В отличие от титана полимерные имплантаты могут рассасываться внутри организма, что снижает инвазивность операций. Кроме того, свойства этих материалов стремятся модифицировать таким образом, чтобы по твердости, эластичности и пористости они были схожи с костной тканью.

Уже сегодня много разработок, цель которых — уменьшить инвазивность всех операций и сделать их более комфортными. Существуют крайне перспективные проекты кровоостанавливающих средств на основе биополимеров (особенно хитозана, который известен еще и антимикробными свойствами). Популярны также пленки, помогающие восстановить функции кожи при ожогах и других ее повреждения. Хитозан благодаря всё тем же антимикробным свойствам увеличивает срок хранения продуктов питания, защищает их от воздействия окружающей среды.

— В сравнении с бумагой пластик выигрывает в сохранности продуктов и антибактериальности. Из ваших выступлений следует, что и по ряду других параметров упаковка из бумаги экологически не более целесообразна, чем из пластика. Будут ли у человека когда-нибудь идеальная упаковка и идеальные пластики?

— Тут всё зависит от того, какой смысл вкладывать в понятие идеального материала. Если бы я разрабатывала ткани, устойчивые к высоким температурам, то сказала бы, что идеальные полимеры не должны плавиться при температуре до 600 градусов. Идеальным я бы назвала какой-нибудь полибензимидазол.

Наука развивается в разных направлениях. Порой даже в противоположных: в область высокотемпературных, устойчивых к электрическим разрядам полимеров и в область таких, которые выдерживали бы всё более низкие температуры; в направлении полимеров, которые были бы стабильны для всех химических растворителей, и в направлении биоразлагаемых материалов. Мы просто расширяем область знаний и сферы, которые могут покрыть полимеры как класс материалов. Я бы сказала, что мы движемся не в сторону безопасных полимеров, а в сторону наиболее эффективных для тех целей, для которых они предназначены.