От полимеров мы не откажемся, но будем больше учиться у природы. Интервью с профессором Дмитрием Ивановым

Большая часть окружающих нас вещей ― это полимеры. Упаковки, инструменты, детали транспорта, одежда… За последние 100 лет наука о полимерах от споров о самой возможности их существования перешла к одному из самых масштабных направлений промышленности. И от пластиков мы уже не откажемся: в ближайшее время точно, в отдаленной перспективе ― вряд ли.

Насколько мы зависим от полимеров и какие их объемы выпускает мировая промышленность? Как политизированность вопроса о загрязнении планеты пластиковыми отходами мешает решению проблемы? Какими должны стать полимеры будущего и что материаловеды заимствуют у природы? Об этом говорим в интервью с профессором, доктором химических наук, руководителем лаборатории инженерного материаловедения МГУ им. М.В. Ломоносова Дмитрием Анатольевичем Ивановым.

― Разные эпохи существования человечества называли в честь использовавшихся материалов: каменный век, бронзовый, железный. В какой век мы живем сейчас?

― Сегодня мы живем в век полимеров. Иногда его называют веком пластика, что не совсем верно с точки зрения человека, который занимается полимерными материалами, но достаточно точно отражает основной материал, который окружает нас в повседневной жизни и активно используется в промышленности. Полимерные изделия мы видим практически везде, начиная от одежды и заканчивая авиастроением и изделиями для космоса. Например, это композитные крылья для отечественного среднемагистрального пассажирского самолета МС-21, всевозможные покрытия, изоляции и корпуса устройств… В современных автомобилях доля полимеров доходит до 30%, причем это не только изоляция и детали отделки, но даже и элементы двигателя.

Отрасль полимеров бурно развивается, эти материалы разные и имеют различный функционал. Если охарактеризовать полимеры в целом, то это прочные легкие материалы, которые в первую очередь ценятся своими механическими свойствами.

― К слову о композитных крыльях для отечественного авиастроения. В одной из поездок в ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского специалисты нам рассказывали, что в испытаниях такие крылья показали лучшие характеристики, чем металлические крылья…

― В целом это ожидаемо. В научной литературе есть информация о том, что нить из высокоориентированного полиэтилена прочнее стали, разумеется, на единицу веса. Полимеры ― это материалы, которые состоят из длинных, как правило, органических молекул― высокомолекулярных соединений. То есть это молекулы с большой молекулярной массой, как правило, образующие длинные линейные цепочки. Если сориентировать все цепочки в одном направлении, получается высокоориентированный полимер ― рекордсмен по механическим свойствам.

― Как долго длится век полимеров?

― Как раз около века. Период, который за ним следовал, ознаменовался появлением полиэтилена, синтетического пластика, которого нет в природе. Это произошло перед Второй мировой войной, и недавно весь мир отмечал столетие.

Родоначальником полимеров считают немецкого профессора Германа Штаудингера, который посвятил значительную часть своей жизни тому, чтобы доказать, что полимеры существуют и могут формировать упорядоченные структуры. С того момента и началось развитие всей отрасли, которая сегодня составляет значительную часть химической промышленности для самых разных применений. 

Но первоначально полимеры преимущественно использовались как материалы для изоляции кабелей, текстиля и упаковки. Сегодня область, связанную с упаковочными материалами, в значительной степени занимают полиолефины ― класс полимеров, к которым относятся полиэтилен и полипропилен. Из них производят 90% всей упаковки, а в целом их производство ― это примерно половина сегодняшнего производства всех синтетических полимеров.

Синтетические полимеры ― это в первую очередь продукт нефтехимического синтеза, и их производство в определенной степени сопровождается негативным подтекстом. Общественность все больше обсуждает проблемы экологии, связанные с переработкой, вторичным использованием и загрязнением планеты полимерными отходами. Действительно, сейчас мировая промышленность в год производит около 400 млн т полимеров, а к середине века эта цифра может увеличиться до 1,5 млрд т. Конечно, нужны решения, которые позволят утилизировать и перерабатывать эти отходы.

― Ученые видят возможные решения?

― Это сложная проблема, и решение дополнительно осложняется ее политизированностью. Например, сейчас обсуждается проблема микропластика ― отходов, которые не видны глазу, но попадают в организм вместе с пищей и водой, а в дальнейшем могут попасть в кровоток и т.д. Пока наука точно не знает, к каким негативным последствиям может привести микропластик в организме. Очевидно, что тема политизирована, поэтому подходить к решению вопроса нужно с холодной головой.

Ведь кроме синтетических полимеров существует достаточно много природных — например, целлюлоза. Природа производит ее в гораздо больших количествах, чем все человечество ― синтетических полимеров. И, соответственно, в природе намного больше микропластика естественного происхождения, чем микропластика от полимеров, полученных в нефтехимической промышленности.

― Если ли понимание, насколько отличается вред от микропластика естественного и искусственного происхождения?

― Я не медик, поэтому детально ответить не могу. Но поскольку ученые до сих пор задаются этим вопросом, значит, ответа пока нет. На самом деле, сама проблема выявлена достаточно недавно, поэтому многое требует изучения. Но действительно видно, что тема опасности пластика часто используется для достижения политических и экономических выгод.

Например, кому-то нужно избавиться от определенного полимера из-за того, что производитель другого полимера оказывает давление на соответствующие административные структуры. Так в свое время в Европе приняли решение избавиться от поливинилхлорида. В основном его использовали в производстве изоляции для проводов и различных покрытий, но также из него делали мешки для плазмы крови. Чтобы убрать его с рынка, в массовом сознании формировали негативные мнения — например, что из-за содержания хлора он токсичен. Но высокомолекулярные соединения (а синтетические полимеры к ним относятся), как правило, не могут быть токсичными. Хлор, входящий в состав поливинилхлорида, химически связан, а сам полимер нерастворим в воде. Намного более токсичными могут быть низкомолекулярные соединения, в первую очередь те, которые мы вдыхаем или которые растворяются в воде. Да, при горении поливинилхлорида выделяются такие токсичные вещества, но при горении, например, полиэтилена их выделяется не меньше.

Кроме того, после отказа от поливинилхлорида его начали замещать другими полимерами, но для того чтобы добиться схожего качества продукции по ряду параметров, например по уровню прозрачности, что важно в производстве мешков для плазмы крови, начали добавлять дополнительные компоненты, которые заведомо вреднее, чем тот вред, который приписывался поливинилхлориду. Вот пример того, как одно политическое решение может повлиять на судьбу конкретного полимера.

Очень много внимания сегодня уделяется биодеградируемым пластикам. В первую очередь это полилактид, который возможно производить на основе растений. Но если на посевных площадях вместо пшеницы для хлеба выращивать кукурузу, из которой потом будут создавать полилактид, это может значительно усугубить мировую продовольственную проблему. Поэтому полный переход к биодеградируемому пластику тоже не решит существующие проблемы.

В первую очередь надо предлагать комплексные решения. Ведь на производство полимеров тратится только 7% добываемой нефти, а не бóльшая ее часть, как может показаться. Да, очевидно, что пластиковый мусор присутствует на планете, а в юго-восточной части Тихого океана формируется мусорный остров. Естественно, что под влиянием солнечной радиации и соленой воды там возможно образование токсичных продуктов. Но так же очевидно, что будущее человечества неразрывно связано с пластиками и отказаться от их производства невозможно.

Необходимо создать замкнутый цикл экономики: при производстве полимеров необходимо понимать срок эксплуатации изделий, во что они будут переработаны в первый и второй раз, как в дальнейшем отходы будут упакованы и захоронены. Сегодня и российские ученые, и международное сообщество материаловедов обсуждают этот вопрос на самом высоком уровне и уже предлагают интересные решения по переработке и захоронению мусора. Весь плавающий мусор возможно собрать достаточно компактно, и если затопить его в глубоководной части океана, то он перестанет быть проблемой.

Конечно, в вопросах загрязнения окружающей среды полимерными отходами есть значительная часть политического вмешательства. Но ученые должны мыслить независимо и понимать, какие действия действительно помогут решить проблему, а какие предпринимаются в интересах бизнеса.

― Современность ― это эпоха полимеров. А какой тогда может быть следующая?

― Я считаю, что от полимеров человечество больше никуда не уйдет, это важнейшая веха в развитии нашей цивилизации. Были предположения, что, возможно, раньше на Земле существовали более развитые цивилизации, обладавшие недоступными нам технологиями. Но, на мой неискушенный взгляд, раз мы не находим при раскопках остатки пластиковой продукции, существование недоступных нам сейчас технологий в прошлом маловероятно, потому что создание полимеров ― это этап естественного пути развития.

Мы построены из полимеров примерно на 50%, как и все вокруг, кроме почвы и гор. Вся живая природа ― это полимеры, и часто при создании новых материалов ученые копировали процессы, которые природа использует миллионы лет.

Сегодня важным направлением становится биомиметика ― создание искусственных материалов, которые в чем-то приближаются к природным. В дальнейшем эта часть науки будет активно развиваться, потому что человечество учится у природы: у нее намного больше опыта и природа создает чрезвычайно сложные системы, которые нам пока недоступны.

― Какой, например, природный материал с уникальными свойствами мы пока неспособны создать искусственно?

― К сожалению, до сих пор мы не можем еще искусственно создать ни одну из частей человеческого тела так, чтобы она хотя бы отдаленно приближалась по свойствам к естественным. Например, кожа ― это уникальнейший материал со сложным функционалом. На коже сконцентрировано огромное количество разных рецепторов, она способна передавать различные сигналы, начиная от электрических и заканчивая оптическими, защищает внутренние органы от механических повреждений, радиации, температуры, воздействия химических веществ… И мы пока еще бесконечно далеки от создания такого многофункционального материала, который может быть интегрирован в организм человека. Но природа активно все это использует, поэтому в развитии этого направления я вижу огромный потенциал. Пока мы сделали только маленький шажочек и создали материал, который по механическим свойствам отдаленно приближается к свойствам мягких тканей, не только кожи, но и мышц, жировой или соединительной ткани. Раньше не было полимеров, которые даже отдаленно могли воспроизводить такие свойства.

Функционал и свойства всех полимеров в чем-то ограничены. Полимерные цепочки, как нитки в клубке, всегда переплетены друг с другом, а начиная с какой-то критической длины имеют то, что мы называем зацеплением, ― физические узлы или петельки. Это важно для формирования механических свойств, потому что полимерный расплав ― это не только вязкая жидкость, но и упругий материал. Упругие свойства появляются именно благодаря таким физическим зацеплениям. Но в то же время мы не контролируем процесс образования зацеплений и потому не можем создать материал, который был бы, например, очень мягким. Это невозможно, потому что природа сама запутывает линейные цепочки, и, работая только с ними, нельзя добиться новых свойств.

Поэтому наука о полимерах перешла к следующему этапу развития, на котором архитектура макромолекул стала более сложной: от работы с линейными цепями к так называемой щеточной архитектуре. В частности, стало возможным «пришивать» маленькие отросточки на основную линейную цепочку. Таким образом получается кардинально менять свойства полимеров. С помощью таких молекулярных архитектур можно приблизиться к миру живого и воссоздать свойства сверхмягких материалов, например жировой ткани. В этом я вижу новый виток развития: постепенно усложняя синтетические подходы, мы все больше контролируем структуру полимеров и можем сознательно создавать сложные архитектуры с нужными свойствами.

― То есть от полимеров мы не отказываемся, но смещаем вектор в сторону биоподобия?

― Именно. Кстати, интересно, как раньше человечество видело развитие полимерной науки. В 1967 г. вышел американский фильм «Выпускник». В одной из сцен выпускник американского колледжа спрашивает у бывшего наставника совета, чем ему заниматься дальше. Тот отвечает: «Хочу сказать тебе только одно слово: пластик». В конце 1960-х гг. сформировалось оптимистичное мнение, что человечество будет создавать все больше специализированных полимеров для конкретных применений. И такие полимеры были. Например, мы помним бум, связанный с чулками из нейлона, или тефлоновое покрытие для сковородок с уникальными антипригарными свойствами. Представлялась пирамида производства, в которой более высокотехнологичные полимеры отвоевывали место у ширпотреба. Действительность оказалась обратной: ширпотреб начал приобретать новые свойства, а за счет дешевого производства стал отвоевывать все больше и больше места у высокотехнологичных полимеров. Сегодня мы пришли к тому, что уникальные полимеры занимают только небольшую долю этой пирамиды.

Но, несмотря на такую ситуацию, высокотехнологичные полимеры, особенно для биомедицинских изделий, будут развиваться, и новые технологии сыграют значительную роль в нашей жизни. Точно не пройдет незамеченным создание биомиметических полимеров и новых поколений имплантов.

Например, в университете «Сириус», где я тоже заведую направлением «Биоматериалы», мы начинаем программу по разработке нейроинтерфейсов. Это материалы, основанные на синтетических полимерах, которые будут похожи на наши ткани. Их задача ― восстанавливать двигательную активность у людей с повреждениями спинного мозга: для этого необходима передача электрических сигналов от неповрежденной части к конечностям. Поэтому необходимы полимеры, которые, во-первых, не будут травмировать нервную ткань человека, а во-вторых, будут проводить электрические или даже химические импульсы. Мы планируем создать платформу, которая обеспечит передачу таких сигналов для того, чтобы человек смог как можно быстрее восстановить свою двигательную активность. Эта работа проходит в тесной кооперации с научным направлением нейробиологии НТУ «Сириус», и уже в 2025 г. мы планируем начать создание прототипа такого нейроинтерфейса, который будем испытывать на животных.

― Крайне популярное сегодня направление ― это применение цифровых технологий, в том числе в материаловедении. Какие перспективы видите?

― Безусловно, искусственный интеллект найдет свое место и в материаловедении. Уже сейчас создаются цифровые двойники материалов, и перебор большого количества данных показывает эффективность этой технологии.

Но нужно понимать, где цифровые технологии могут быть эффективнее человека, а в чем уступают. Например, наверное, не стоит ждать от искусственного интеллекта открытия материалов на новых принципах. Перебирая существующую базу данных, он не сможет этого сделать. Креатив и опыт живых ученых остаются незаменимыми, если требуются прорывные решения.

Кроме того, не стоит забывать о накоплении и генерации новой информации: невозможно постоянно перебирать одно и то же. Для этого нужны новые научные приборы. В нашей работе мы часто используем объекты класса мегасайенс: мощные источники рентгеновского излучения ― синхротроны. Комбинируя рентгеноструктурный анализ и другие физико-химические методы, мы создаем условия для быстрого накопления информации. Мы работаем над созданием методов, которые позволят проводить экспресс-анализы материалов. Такие методы потребуют всего несколько десятков миллисекунд и дадут достаточно полную информацию о структуре и различных свойствах материалов. Это востребовано во многих областях, в частности в фармацевтике, где нужно быстро перебрать большое количество веществ и выяснить, какие характерные структуры, температурные переходы присутствуют в материалах, для того чтобы потом индустрия смогла сфокусироваться на наиболее перспективных.

Развитие этого направления я вижу в создании экспериментальных платформ, лабораторий на чипе, которые позволят одновременно измерять несколько свойств образца. Это необходимо для создания баз данных, которые служат основой для последующей генерации новых материалов.

― Сегодня много говорят о достижении технологического суверенитета. Есть области науки, в которых мы явно отстаем от зарубежных коллективов. А как складывается эта ситуация в материаловедении? Как много мы потеряли 30 лет назад?

― Не могу судить обо всех отраслях материаловедения, но направлению, которым я занимаюсь, урон был, к сожалению, нанесен очень существенный. До трети научных сотрудников или эмигрировали, или сменили профессию, перестали заниматься тем, чему учились десятилетия. Огромный ущерб был нанесен и химической промышленности, без которой создавать новые материалы очень трудно. Если у нас нет своих мономеров высокого качества или, например, полимеров медицинского назначения, того же полилактида, который возможно использовать для создания медицинских изделий, нам остается только закупать их за границей. А это очень дорого. Поэтому для достижения технологической независимости мы должны восстанавливать и заново осваивать технологии.

Нехватка отечественных материалов ощущается и в энергетике. Например, у нас до сих пор не налажено широкое производство полимеров для протонпроводящих мембран, которые используются при создании топливных элементов.

Для производства самолетов нам нужны углепластики и связующие высокого качества, нужны полимеры для космической отрасли, нужен полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, чтобы делать бронежилеты и каски, которые выпускают во всем мире.

Вызовов очень много, и их трудно классифицировать по значимости: они все важны и все надо решать срочно. Поэтому сегодня сформировалось много задач для молодых ученых-материаловедов, в нынешних условиях они действительно могут создать что-то нужное и востребованное.

― В последние годы вы выступаете сопредседателем программного комитета форума «Наука будущего ― наука молодых». В этом году пройдет юбилейный Х форум. Оценивая этот опыт, что вы можете сказать о перспективах научной молодежи в России?

― Мы каждый год не перестаем удивляться энтузиазму и горящим глазам молодежи, которая к нам приезжает. Мы прослеживаем их путь, и многие бывшие студенты стали аспирантами, а затем и экспертами на нашем форуме.

«Наука будущего ― наука молодых» ― это место, где молодые ученые могут познакомиться и друг с другом и с опытными учеными, встретиться со специалистами из смежных областей науки и областей, которые пока, может, и далеки от их работ, но через несколько лет могут стать сопутствующими. Все-таки прогресс идет очень быстро.

Часто, когда создаются новые образовательные программы, к их завершению нужда в соответствующих специалистах или исчезает, или видоизменяется. Это обязывает нас быстро реагировать на изменения запросов рынка, чувствовать перспективные и многообещающие направления, чтобы выпускники вузов чувствовали себя комфортно, а их знания оставались востребованными.