2019 год — особенный для химической науки. Мир отмечает не только 150-летие периодического закона Дмитрия Менделеева, но и вековой юбилей Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).
Организация ИЮПАК разрабатывает стандарты названий химических соединений и химическую терминологию. Именно благодаря ей химики из разных стран понимают друг друга. Юбилей периодического закона и юбилей ИЮПАК тесно связаны друг с другом, поскольку именно Международный союз химии рекомендует форму графического отображения периодического закона — Периодической системы. К исключительному праву ИЮПАК относится признание открытия новых элементов, утверждение их названий и символов, а также постоянная корректировка значения атомных масс химических элементов.
Однако ИЮПАК не только фиксирует уже совершённые открытия, но и пытается предугадать, каких прорывов ждать человечеству от химиков в ближайшем будущем. Для развития диалога между обществом и химиками ИЮПАК накануне своего столетия в журнале, посвящённом развитию химии, опубликовала статью «Десять новых химических технологий». Это попытка понятным языком осветить значение химии и других естественных наук и предсказать открытия XXI века, которые могут изменить мир к лучшему. Так каких же свершений и технологий нам ждать от химиков?
НАНОПЕСТИЦИДЫ
Население планеты продолжает расти и к концу века достигнет 11 миллиардов. Чтобы прокормить такое количество людей, потребуется значительно увеличить продуктивность сельского хозяйства — при этом в условиях сокращения посевных площадей и уменьшения выбросов парникового газа. А ещё нужно снижать количество воды для полива и, естественно, сводить к минимуму загрязнение природы удобрениями и пестицидами.
Пестициды используются для борьбы с вредителями и болезнями растений, а также сорняками, вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий из хлопка, шерсти, кожи. Их применяют также против паразитов, переносящих опасные для человека и животных заболевания.
Влияние агрохимикатов на окружающую среду сможет снизить нанохимия. Разрабатываются наноконтейнеры, которые раскрываются строго в определённых условиях и направленно доставляют пестициды. Прицельная доставка сельскохозяйственной химии решит проблему загрязнения окружающей среды, накопления пестицидов в организмах и выработки у вредителей устойчивости к действию пестицидов.
Нанопестициды как пули, начинённые гербицидами, химическими веществами или генами, попадают в определённые участки растений и высвобождают содержимое. Нано капсулы обеспечивают эффективное проникновение гербицидов через ткани.
В 2007 году группа учёных из университета Айовы под руководством Фэн Тоу разработала наночастицы мезопористого диоксида кремния с диаметром 3 нм для доставки фрагментов ДНК растительного вируса и химических веществ в клетки растений. Эти частицы имеют химическое покрытие и служат капсулами для генов. Покрытие позволяет веществам проникать через клеточные стенки, где гены встраиваются и контролируемо активируются без каких-либо токсических побочных эффектов. В результате вещества парализуют вредителей и убивают их. Этот метод применялся для внедрения ДНК в клетки табака и кукурузы.
Исследование нанотехнологий в сельском хозяйстве ещё продолжается. Анализируются преимущества и риски «наносельхозхимии». Конечно, никто не ожидает, что нанотехнологии решат все проблемы сельского хозяйства, но бесспорно, что они помогут повысить урожаи, снизив при этом вред для окружающей среды.
Джон Б. Гуденаф (род. 1922) — американский учёный, специалист в области физики твёрдого тела, профессор Техасского университета в Остине. В 2014 году получил премию Чарльза Старка Дрейпера, присуждаемую Национальной инженерной академией США, за вклад в изобретение литий-ионных аккумуляторов.
ТВЁРДОТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Ещё в XIX веке М Ф предсказывал возможность разработки твёрдотельных электрических батарей или аккумуляторов, однако получилось это сравнительно недавно.
В 2018 году Д Г вместе с коллегами представил аккумулятор со стеклянным электролитом. По сравнению с привычными литий-ионными источниками питания, твёрдотельные аналоги легче, запасают в десять раз больше энергии, а также не теряют производительность при низких или высоких температурах. Стеклянный электролит, в отличие от обычного жидкого, не воспламеняется. По словам Гуденафа, ещё одно преимущество твёрдотельных источников питания в том, что в них можно использовать электроды из натрия, более распространённого, нежели литий.
Однако непонятно, каким образом изобретение Гуденафа хранит энергию. По законам физики, для этого необходимо производить различные электрохимические реакции в двух противостоящих электродах. За счёт этой разницы создаётся напряжение и сохраняется энергия. Но элементы представленного изобретателем аккумулятора состоят из чистого лития или натрия с обеих сторон. Значит, напряжения быть не должно. Научное сообщество отнеслось к изобретению скептически, несмотря на авторитет Гуденафа. Тем не менее такие промышленные гиганты, как Bosch, Dyson, Toyota и Intel, вкладывают миллиарды долларов в разработку этой технологии.
Если изобретение действительно работает, это позволит электромобилям конкурировать с обычными по цене, продлить срок службы мобильных устройств и стационарных накопителей энергии.
ХИМИЧЕСКИЕ ПОТОКИ
Проведение химических реакций в потоке — это ещё одна технология, соответствующая принципу устойчивого развития, который выдвинут Организацией Объединённых Наций. Поточные процессы значительно снижают риск накопления на производстве опасных веществ, уменьшают выбросы в окружающую среду и снижают опасность для работников производства. Сегодня «потоковая химия» вышла далеко за пределы лабораторий и уже нашла применение в промышленности. В периодических химических процессах производственный реактор загружается, запускается, затем по истечении некоторого времени останавливается; выгружается продукт. Непрерывные же процессы на то и непрерывны, что для выгрузки готовой продукции прекращать работу реактора не нужно. В 2015 году химики из Массачусетского технологического университета разработали потоковую технологию получения привитых полимеров. Их невозможно синтезировать с помощью периодических процессов. Потоковые непрерывные процессы проще и быстрее дают целевой продукт. Теперь главная задача учёных — масштабировать разработанные в лабораториях потоковые процессы до уровня безопасного производства, снизив долю токсичных и огнеопасных растворителей.
ПОРИСТЫЕ СБОРЩИКИ ВЛАГИ
По данным ООН, более 1 млрд человек в мире не имеют устойчивого доступа к питьевой воде и ежегодно более 2,2 млн человек умирает от болезней, связанных с низким качеством воды. Со временем ситуация с водой становится только хуже.
Проблему призваны решать пористые материалы, в частности, металлоорганические каркасные структуры.
Металлоорганические каркасные структуры — это полимеры, состоящие из ионов металлов, связанных с остатками органических соединений. Эти материалы похожи на губки с нанометровыми порами, которые способны избирательно улавливать различные молекулы: водород, метан, воду, углекислый газ и даже белки небольших размеров
Металлоорганические каркасные структуры применяются в основном для направленной доставки лекарственных препаратов или очистки газов. Но в 2017 году американский химик арабского происхождения О Я обнаружил, что эти координационные полимеры могут улавливать атмосферную влагу. Один килограмм металлоорганического каркасного соединения в течение дня сор бирует до 2,8 литра воды из воздуха с влажностью менее 20 %, используя только солнечную энергию. В настоящее время Омар Ягхи работает над разработкой новых координационных полимеров с большей ёмкостью и меньшей стоимостью.
Помимо металлоорганических каркасных структур исследуется возможность сбора атмосферной влаги с помощью других пористых структур — цеолитов и керамики. Химики намерены разработать материал, который бы не только собирал атмосферную влагу, но и очищал её, сразу же делая собранную воду пригодной для питья и приготовления пищи.
480 млрд пластиковых бутылок продано в 2016 году
ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ПЛАСТИКОВ
Синтетические полимеры оказались настоящим бедствием для окружающей среды. На сегодняшний день в мире произведено более 8 млрд тонн пластика. В 2017 году учёный из университета Калифорнии Р Г подсчитал, что около 75 % всех произведённых полимеров в настоящее время находятся на свалках и загрязняют окружающую среду. При этом перспектива истощения нефтяных запасов угрожает производству синтетических полимеров, точнее получению мономеров для синтеза макромолекул.
И снова химики используют для решения этой проблемы идеи природы. Природные полимеры — белки, углеводы, нуклеиновые кислоты — в ходе обмена веществ могут разрушаться до структурных блоков, которые используются повторно. Деполимеризация синтетических полимеров (реакция их распада на отдельные мономеры) может решить сразу две задачи. Во-первых, вторичная переработка должна остановить или хотя бы замедлить загрязнение окружающей среды. Во-вторых, регенерация мономеров позволит использовать их для получения новых полимеров, не используя нефтепродукты.
Уже существуют полимеры, деполимеризацию которых можно провести. Полимолочная кислота (полилактид) разрушается до мономера — молочной кислоты — просто в результате нагревания. Из таких полимеров уже изготавливаются одноразовые стаканы и пакеты. Для других, например полиэтилентерефталата (ПЭТ — пластик, из которого делают бутылки для напитков), разрушение до мономеров принципиально возможно, но требует больших затрат энергии и дополнительных количеств полиэтиленгликоля.
ТРЁХМЕРНАЯ БИОПЕЧАТЬ
Биопечать относится к наиболее популярным и перспективным медицинским технологиям сегодняшнего дня. С помощью трёхмерных принтеров и «чернил» из живых клеток учёные научились создавать искусственные органы и ткани. Технология может использоваться как для лечения, так и для диагностики, а искусственно выращенные органы можно применять для поиска новых лекарств или даже для трансплантации. Уже сейчас можно напечатать сердце, кровеносные сосуды, поджелудочную железу и кости.
В 2004 году американскому подростку Л М пересадили искусственно выращенный из его же клеток мочевой пузырь. Сложнейшая работа была проведена под руководством американского биоинженера доктора Э А, которого в 2007 году журналы Time и Scientifi c American назвали «Врачом года».
Сейчас сложные внутренние органы создаются вручную, однако в скором будущем планируется печатать их в биопринтере прямо в теле пациента. Например, в 2017 году в Китае детям с врождённым дефектом уха пересадили напечатанные на биопринтере уши. На всех стадиях трёхмерной биопечати химия играет ключевую роль. На этапе подготовки химические вещества применяются как контрастные агенты для создания компьютерной модели органа. Во время самой биопечати также требуются многочисленные реагенты и вещества, которые должны стабилизировать биочернила, инициировать организацию клеток или служить матрицей для печатаемого органа или ткани. И, наконец, понимание того, как клетки ткани или органа взаимодействуют друг с другом на молекулярном уровне важно для того, чтобы напечатанный орган сохранял структуру и форму, а также не отторгался при трансплантации.
Каждое из обозначенных выше перспективных для химии направлений развития таит огромный потенциал для обеспечения благополучия человечества. Главная цель ИЮПАК в том, чтобы продвигать и подчёркивать вклад химии в нашу повседневную жизнь, вдохновляя учёных решать глобальные проблемы.