Максим Руссо: Полимеры и нанотехнологии

Максим Руссо Структуры сополимеров Wikimedia Commons Партнер проекта

10 октября в рамках проекта «Публичные лекции "Полит.ру"» доктор физ.-мат. наук, академик РАН, профессор МГУ, проректор, начальник Управления инновационной политики и международных научных связей МГУ, председатель Совета по науке при Министерстве образования и науки РФ Алексей Ремович Хохлов прочитал лекцию на тему: «Полимеры в контексте "нано"».

До рубежа XIX – XX веков наука изучала лишь объекты, который человек может увидеть (невооруженным глазом или с помощью оптических приборов), то есть такие объекты, размер которых больше, чем длина световой волны (400 – 700 нм). Затем в сферу внимание науки попали и объекты микромира: сначала атомы, потом элементарные частицы, размер которых менее одного нанометра. Диапазон от 1 до приблизительно 500 нанометров долго оставался обойден вниманием.

Между тем этот диапазон очень важен. На этом уровне осуществляются все молекулярные механизмы, которые лежат в основе жизни. Структура веществ на наноуровне определяет их свойства. Хотим ли мы узнать, как работает катализатор химической реакции или как происходит перенос нервного импульса в синапсе, без обращения к наномасштабу нам не обойтись.

С развитием миниатюризации в производстве микросхем появилось и понятие нанотехнологий, которое сейчас распространилось далеко за пределы этой конкретной области. Особое место нанотехнологий объясняется тем, что многие обычные технологии уже трудноприменимы к нанообъектам. Однако на этом уровне устройства веществ становится возможным использовать принципиально новые методы, например, способность молекул к самоорганизации, когда они за счет взаимодействия между различными частями молекул (например, в результате действия ван-дер-ваальсовых сил) или просто за счет теплового движения образуют упорядоченные структуры. Именно такая самоорганизация материи позволяет возникать структурам в клетках живых организмов. В клетках синтезируются молекулы ДНК и РНК, различные белки и так далее. А. Р. Хохлов привел впечатляющий пример: если представить себе совокупную длину молекул ДНК, которые синтезируются в человеческом организме за время жизни человека, и выстроить в одну линию, то их общая длина составит два световых года. Пока еще никакие созданные человеком системы синтеза не могут сравниться с “простой” живой клеткой.

В связи с этим возник биомиметический метод, в котором молекулярное устройство живых систем становится образцом для тех систем, которые создают люди. И эти биологические молекулы, функционирование которых мы хотели бы использовать, представляют собой полимеры. Напомним, что полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев (мономеров). Вот примеры двух широко известных полимерных соединений:

Полиэтилен

…—CH2—CH2—CH2—CH2—…

Поливинилхлорид

…— CH2—CHCl—CH2—CHCl—CH2—CHCl—CH2—CHCl—…

Мы видим, что у полиэтилена мономером является группа CH2, а у поливинилхлорида – CH2—CHCl. Молекулы полимеров называют макромолекулами. У синтетических полимеров число звеньев в полимерной цепи обычно от 10 до 10000. У природных веществ оно может быть значительно больше. Молекула ДНК, например, может состоять из 109 – 1010 нуклеотидов. Использование природой полимеров обусловлено рядом их свойств, которые, в свою очередь, вызваны их строением.

Важнейшие черты полимеров: длинные цепи из звеньев-мономеров, большое количество этих звеньев и гибкость цепей. Поскольку макромолекулы представляют собой длинные цепи, у отдельных мономеров нет свободы независимого движения, а значит в полимерных системах ниже энтропия. Это и обуславливает способность полимерных систем к самоорганизации. Даже небольшое энергетическое взаимодействие между группами атомов приводит к упорядочению в их расположении.

Такая самоорганизация возникает, например, в материалах, которые состоят из молекул блок-сополимеров. Блок-сополимер – это разные полимерные цепочки, соединенные между собой в одну при помощи ковалентной химической связи. В простейшем случае блок-сополимер объединяет две разные цепочки, но их может быть и больше, форма их соединения может быть самой разнообразной. Если мы возьмем блок-сополимер, две компоненты которого стремятся отклониться друг от друга (опять-таки за счет ван-дер-ваальсового взаимодействия), то полностью расслоиться они не смогут, ведь компоненты молекулы соединены ковалентной связью. Однако это отталкивание приведет к тому, что цепочки макромолекул сориентируются в пространстве, в результате в материале возникнет структура. В зависимости от относительной длины двух компонентов блок-сополимера это могут быть сферы из одного компонента, окруженные другим, или цилиндры, или слои и так далее. Поэтому, просто синтезируя блок-сополимерные макромолекулы с разным соотношением длин, можно проводить дизайн полимерных наноструктур.

Это находит практическое применение. Одно из таких применений – создание термопластичных эластомеров. Например, берется блок-сополимер, компоненты которого – это полиизопрен и полистерол. Полиизорен – это каучук, полистирол – полимер, который при комнатной температуре твердеет. Соединив их в нужной пропорции, мы можем получить материал, в котором на наноуровне в резиновой массе будут сферические включения полистирола. Если поднять температуру, полистирол расплавится, и этой резине можно будет придать новую форму.

Алексей Хохлов рассказал и о применение расслоения блок-сополимеров при создании ультратонких наноструктурированных пленок. Если цепочки одной из макромолекул, входящих в блок-сополимер, образуют в нем слои или цилиндры, то у них может быть разное пространственное расположение. Цилиндры могут быть ориентированы перпендикулярно поверхности пленки, а могут – параллельно. В зависимость от этого пленка может иметь разные свойства, например, “позволять” или “не позволять” другим молекулам диффундировать сквозь себя. А. Р. Хохлов описал, предложенный им и его коллегами метод, позволяющий обеспечить нужную наноструктуру в пленке. Выяснилось, что для этого нужно, чтобы подложка, на которой образуется пленка, сама была наноструктурированной. На ней должны быть участки, которые по-разному притягивают компоненты блок-сополимера.

Другой пример использование наноструктур в полимерах – топливные элементы. Это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. Топливом для такого элемента служит, например, водород. Молекулы водорода подаются на анод, там они расщепляются при помощи платинового катализатора. Протоны через полимерную мембрану отправляются к катоду, а электроны мембрана не пропускает, поэтому они идут во внешнюю цепь и в ней возникает ток. На катоде в результате соединения электронов, протонов, прошедших сквозь мембрану и кислорода воздуха получается вода. Пока такие топливные элементы используются в космических и военных технологиях, но со временем, когда этот способ производства энергии станет окупаться, они могут заменить привычные нам бензиновые двигатели. Важный плюс топливных элементов – экологическая чистота. Полимерные наноструктуры используются в ключевой детали топливного элемента – мембране, которая проводит протоны.

О других примерах использования полимеров в нанотехнологии можно узнать из видеозаписи лекции.

Смотрите также: В университете Токио разработали электронную кожу В США на 3D-принтере создали батарейку размером с песчинку За какими материалами будущее? Наталия Демина Один день из жизни Летней школы по нанофизике