Развитие современной химии

Вступление

Химия постоянно развивается как наука. И не только в теоретическом аспекте. На нынешнем уровне развития человечества химические открытия приобрели огромное практическое значение в самых разных сферах человеческой деятельности. Именно поэтому инновации в химической отрасли часто выступают не изолированно, а соотносятся с другими науками, другими областями знаний и практическими сферами: физикой, биологией, экологией, утилизацией отходов, альтернативной энергетикой. В этих областях открытия в химии обычно реализуются, получают свое практическое применение.

Данная работа включает в себя беглый обзор наиболее интересных открытий в химической отрасли (выступающей в неразрывной связи с остальными) за 2004-2007 годы. Она дает некоторое представление о широком поле для исследований по химии для ученых мира, в том числе России и Беларуси, а также показаны, насколько важны инновации в этой области и насколько разнообразны сферы их применения.

Найдена управа на пластиковую напасть

Химики из Российского химико-технологического университета имени Менделеева придумали, как перерабатывать смесь всевозможных пластмассовых бутылок, даже если они сделаны из разных полимеров. Куда деваются все те многочисленные бутылки, банки, контейнеры и другая полимерная тара, которые сегодня в избытке можно видеть в киосках, магазинах, да и на собственной кухне, которые люди используют и выбрасывают каждый день? Вопрос этот скорее экологической направленности - ведь ресурсы природы небезграничны. Сжигать или закапывать полимерную тару вредно, да и просто немыслимо - земли не хватит. Некоторые скептики утверждают, что день, когда российская земля будет представлять собой равномерную смесь почвы и пластиковых бутылок, отнюдь не далек. Перерабатывать же использованную тару весьма нелегко. Вот как рассказывает об этом процессе кандидат химических наук Станислав Ермаков с факультета химической технологии полимеров РХТУ им. Д.И. Менделеева: "Вначале тару собирают и сортируют на полигоне, к примеру, возле Люберец. Потом ее прессуют в тюки весом в тонну и отправляют на мельницу-дробилку. Полученную смесь хлопьев вываливают в водяную ванну - здесь смывают этикетки и удаляют остатки клея. Затем хлопья по возможности разделяют на полимеры разных видов. Иные полимерные фракции легче воды, они всплывают на поверхность и таким образом отделяются от более тяжелых полимеров. Дальше - еще проще. На специальном барабане хлопья смеси полимеров фильтруют, высушивают, затаривают в огромные мешки и отправляют на склад. Теперь полимеры ждут главные превращения - химическая переработка в реакционном экструдере. А вот тут и возникает главная проблема - как переработать смесь разных полимеров. Дело в том, что полиэтилен, полиэфир, полиэтилентерефталат и другие полимеры, помещенные в реактор и нагретые до температуры их переработки, часто вызывают взаимное разложение друг друга. Здесь сказывается ограниченная совместимость полимеров разной химической природы". Для того чтобы избежать этих неприятных явлений, химики из университета и придумали делать органические добавки в смесь. Назначение такой спасительной добавки (это оксазолины карбоновых кислот) - подавлять разложение основной цепи или концов молекулы, равно как и сам по себе распад полимера, вызванный чрезмерным нагревом. Добавки могут быть разными - в зависимости от того, какие полимеры нужно переработать и до какой температуры их требуется нагреть в реакторе.

- На выходе оказываются полимерные композиционные материалы, которые имеют повышенную механическую и ударную стойкость и почти не впитывают воду, - поясняет Станислав Ермаков. - Поэтому из них можно делать корпуса фильтров, мембран, аппаратуры водоподготовки и другие изделия, которые работают при повышенных температуре и влажности. Сегодня мы работаем над созданием аппарата реакционной экструзии для переработки полимеров и их отходов независимо от состава и химической природы их компонентов.

Российские ученые синтезировали новый наполнитель для резин и полимеров

Российские ученые синтезировали, так называемые квазикристаллы, в которых атомы железа, меди и алюминия расположены в строгом, но запрещенном для обычных кристаллов порядке. Исследовав свойства этих веществ, химики нашли для них область применения. Композиты на основе резин и полимеров с добавками этих соединений будут обладать, по мнению авторов, уникальными свойствами. С одной стороны, они исключительно твердые тверже самых твердых легированных сталей, почти как алмаз. А с другой - у них очень низкий коэффициент трения, чуть больше, чем у сверхскользкого фторопласта, и гораздо меньше, чем у любого металла. И химическая стойкость у них тоже очень высокая почти как у керамики. Квазикристаллические сплавы авторы предлагают получать методом так называемого механо-химического синтеза в специальных мельницах, в которых порошки исходных металлов дробят с такой силой и до тех пор, пока металлы не перемешаются на атомарном уровне и не получится сплав. А чтобы закрепить успех, полученный порошок нужно еще отжечь прогреть некоторое время при высокой температуре. Данные материалы перспективные наполнители для различных резиновых и пластиковых уплотнителей. Материал будет служить дольше и сможет выдержать большие нагрузки. Износостойкость при этом может увеличиться в десятки раз.

Вместо выхлопных газов - чистая вода

Альтернативная энергетика. Вместо громоздких газовых баллонов и привычных батареек - элементы питания, созданные с использованием нанотехнологий. Что стоит за этим термином, ставшим сверхпопулярным, продемонстрировали ученые из Института физической химии и электрохимии. Вместо выхлопных газов автомобилей - чистая вода. И это уже не фантастика, а всего лишь вопрос времени, говорят ученые. Экспериментальные машины с двигателями на водородном топливе уже не один год ездят по улицам. Но в серийное производство такие чудеса техники запускать нерентабельно. Газовые баллоны с водородом довольно громоздки и опасны - в случае повреждения могут взорваться. Решение предлагают ученые Института физической химии и электрохимии имени Фрумкина. Они считают, что нужно вырабатывать водород прямо в двигателе. Технология очень проста. В специальную ёмкость подаётся топливо, формулу которого ученые уже разработали, и кислород. Когда эти вещества соприкасаются со специальным катализатором, образуется водород. В зависимости от размеров топливного элемента будет меняться и количество энергии. Её хватит даже для самого мощного авто. "Сейчас новые технологии нацелены на то, чтобы не производить много отходов, совершенно уходить от отходов, работать на обратимых процессах, не создавать те трудности, которые есть сейчас в нашей технике", - отметил Аслан Цивадзе, директор Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина, академик РАН, профессор. Сейчас процессы образования водорода ученые тестируют в лаборатории. В энерговодородных картриджах для автомобилей и других механизмов будет то же самое, но только в миниатюре. "Создаваемые нами картриджи, во-первых, будут портативными - размером с мобильный телефон, или чуть-чуть больше, могут быть использованы как самостоятельные источники водорода, или как топливный элемент для источников тока", - рассказывает Андрей Дорохов, сотрудник лаборатории физико-химических проблем Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина. Самое главное достижение московских ученых - катализатор, благодаря которому образуется водород. Его разработали с применением нанотехнологий. Нужное вещество буквально собрали по атомам, как строители собирают дом из кирпичей. Занимаются этим молодые ученые и аспиранты. Получаются новые приборы с огромным потенциалом.

Энергия в них не уходит в воздух, скорее из воздуха она и создается. "Перспективность топливных элементов высока в силу того, что они имеют высокий коэффициент полезного действия", - говорит Алексей Кузов, сотрудник лаборатории электрокатализа и топливных элементов Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина. Подобным образом, соединяя друг с другом атомы, ученые института придумали, как усовершенствовать литиевый аккумулятор мобильного телефона. Ёмкость нового - в несколько раз больше, чем у известных нам аналогов. Нанотехнологии - наше будущее, говорят люди науки. С ними соглашаются - государство выделяет на развитие этой области немалые деньги, а крупные компании уже заключают контракты с учеными на перспективные разработки.

Вместо топлива - соленая вода

Химики из Пенсильванского государственного университета (Pennsylvania State University) подтвердили, что инженеру Джону Канзиусу (John Kanzius) действительно удалось создать аппарат, позволяющий сжигать соленую воду. Доктор Растум Рой (Rustum Roy), известный специалист по наукам о материалах, высоко оценил изобретение Канзиуса и назвал его <самым значительным открытием в науке о воде за последние сто лет>. В аппарате Канзиуса вода подвергается воздействию радиоволн, которые ослабляют связи между ее компонентами и высвобождают водород. При наличии искры водород воспламеняется и горит ровным пламенем, температура которого, как показывают эксперименты, может превышать 1600 градусов Цельсия. Канзиус подчеркивает, что процесс высвобождения водорода не является формой электролиза, имеет место другое явление. Воду не надо подвергать никакой специальной очистке, годится любая соленая вода (хотя разная соленость и разные дополнительно растворенные вещества влияют на температуру и окраску пламени), в том числе взятая непосредственно из моря. Если эксперименты подтвердят, что аппарат Канзиуса энергетически выгоден (получаемая энергия превышает энергию, затрачиваемую на генерацию радиоволн) и может использоваться для приведения в действие достаточно тяжелой техники, например, автомобилей, то это открывает большие перспективы перед топливной отраслью. Соленая вода доступна почти в любом регионе Земли практически в неограниченном количестве, для окружающей среды аппарат безвреден: отходом производства является опять же вода. Канзиус совершил свое открытие случайно. Шестидесятитрехлетний пенсионер стремился (и продолжает стремиться) найти альтернативу химиотерапии: способ уничтожать раковые клетки при помощи радиоволн. Когда он показывал действие своего аппарата коллегам, кто-то заметил осадок на дне пробирки и посоветовал попытаться применить аппарат для опреснения воды. Канзиус последовал совету, и в ходе эксперимента вода неожиданно вспыхнула от случайной искры. Канзиус уже подал заявку на патент: использование соленой воды в качестве альтернативного топлива.

Топливо из фруктов

Американские ученые утверждают, что из сахара, который содержится в фруктах, можно получать новый вид топлива. По словам исследователей, это топливо с низким содержанием углерода имеет гораздо больше преимуществ, чем этанол. Открытие было сделано командой специалистов из Университета Висконсина в Мэдисоне, сообщает BBC News. Топливо из фруктозы, названное диметилфураном, способно хранить на 40% больше энергии, чем этанол. Кроме того, оно менее летучее и не так быстро испаряется. Как отмечают изобретатели, фруктозу можно получать напрямую из фруктов и растений или же добывать ее из глюкозы. Теперь ученым предстоит провести ряд исследований, чтобы выяснить, как новое топливо влияет на окружающую среду. Одновременно с открытием американских специалистов британские ученые заявили, что существующие сегодня технологии позволяют производить биологическое топливо не только из пальмового масла, но и из ряда других материалов, включая древесину, сорняки и даже пластиковые пакеты. По мнению экспертов, в ближайшие шесть лет около 30% потребляемого в Великобритании дизельного топлива придется на топливо, полученное из этих источников. И в Соединенных Штатах, и в Европе политики рассматривают биотопливо как способ сократить выбросы углекислого газа в атмосферу и уменьшить зависимость от импортируемой нефти. Однако критики полагают, что из-за биологического топлива, получаемого из зерновых, взлетят цены на продукты питания. По их мнению, возможность производить дизельное топливо из пальмового масла или этанол из кукурузы заставляет фермеров переходить на выращивание только этих культур. Джереми Томкинсон из британского Национального центра по непищевым культурам уверен, что следующее поколение биотоплива будет пригодно не только для автомобилей. Возможно, химикаты, созданные на основе растений, будут использоваться в химической индустрии, а самолеты будут заправляться биодизелем. Но сейчас основным препятствием является дороговизна процесса выработки биотоплива. Так, строительство новых производственных мощностей обойдется в десять раз дороже, чем понадобилось на возведение существующих предприятий по получению биологического топлива.

Немецкие ученые разработали технологию производства дизтоплива из пластиковых отходов

Немецкая компания Clyvia Technology GmbH разработала технологию, которая позволяет преобразовывать отходы масел и пластика, например, полиэтилен и полипропилен, в минеральное топливо. Благодаря этому будет частично решена не только энергетическая проблема, но и проблема ликвидации отходов. Об этом сообщает "Прайм-ТАСС". Процесс, разработанный компанией Clyvia, позволяет переработать неиспользуемое потенциальное сырье, около 11.6 млн. тонн отходов с большим содержанием пластика, в высококачественные горючие и топливные материалы. Инновационная технология основана на процессе фракционированной деполимеризации, который похож на крекинг сырой нефти. При температуре 400 градусов Цельсия (которая гораздо ниже той температуры, что используется при обычном крекинг-процессе, таком как пиролиз) длинные углеводородные цепочки подвергаются разделению, затем выпариваются и осаждаются в конденсаторе в виде дизельного топлива. Планируется, что технология заинтересует как частные, так и государственные компании, оказывающие услуги по ликвидации отходов, а также промышленные и коммерческие предприятия. Новый метод также очень хорошо сочетается с идеей защиты окружающей среды. Планируется, что благодаря инновационной технологии, дизельное и печное топливо станет значительно дешевле чем то, которое все сейчас покупают на АЗС или берут для отопительных систем. С тех пор, как цена на баррель сырой нефти превысила отметку 30 долл., цена на дизельное топливо, производимое из отходов, стала выгодней цены на продукты переработки нефти. И это конкурентное преимущество растет с повышением цены на сырую нефть.

«Самозаживляющийся» полимер

Американские ученые из Университета штата Иллинойс создали новый полимер, способный к самовосстановлению поврежденных участков поверхности.

Исследования в области разработки "самозаживляющихся" материалов ведутся достаточно давно. В частности, уже существуют полимеры, в структуру которых внедрены специальные капсулы с восстанавливающим веществом. Однако у подобных полимеров есть существенный недостаток. Дело в том, что после разрыва капсулы повторное восстановление того же участка становится невозможным. Специалистам из Иллинойского университета удалось решить данную проблему.

Как сообщает RSC.org, ученые предлагают внедрять в структуру материала сеть микроканалов, по которым восстанавливающее вещество может доставляться в любую точку поверхности. В качестве такого вещества используется мономерный дициклопентадиен с низкой вязкостью. Внешнее покрытие полимера содержит катализатор - бензилидин-бис (трициклогексилфосфин) дихлорорутений.

При появлении повреждения на поверхности восстанавливающее вещество через сеть "капилляров" доставляется к нужному участку, где вступает во взаимодействие с катализатором. В результате инициируется реакция полимеризации, в процессе которой на поверхности полимера через некоторое время появляется некое подобие рубца, закрывающего трещину. При повторном повреждении того же участка весь процесс самовосстановления повторяется заново.

Не исключено, что в перспективе технология, предложенная американскими исследователями, найдет самое широкое применение. Материалы, способные к самовосстановлению, могут быть востребованы в аэрокосмической и военной отраслях, медицине, сфере биоинженерии и так далее. Впрочем, о возможных сроках коммерциализации разработанной методики сотрудники Иллинойского университета пока умалчивают.

«Съедобный» пластик

Последняя разработка красноярских ученых еще не вышла из лаборатории, но, по некоторым прогнозам, через полвека экологи смогут вычеркнуть из «черного списка» популярный упаковочный материал.

По словам специалистов, пластик вполне съедобен. Экспериментальный полимер быстро разлагается на безопасные для человека и окружающей среды вещества. Изобретение красноярских ученых может решить проблему длительного - более 300 лет разложения пластика в природе. Так называемый <биопластатан> выращивают в лаборатории Института биофизики.

Синтезируемый материал имеет лучшие свойства полимеров: прочность, легкость и термоплавкость. И при этом, по словам исследователей, вещество лишено главного недостатка неорганического пластика: в отличие от них, биополимеры быстро разрушаются. Сотрудник лаборатории: <Возьмем для примера один тип полимера. Он разлагается в течение 25 суток. Другими словами, понадобится меньше месяца, чтобы это не стало этого вещества>.