Apsižvalgykite aplink save ir pabandykite išvardinti visus jus supančius dalykus, pagamintus iš plastiko ir įvairių jo atmainų. Kompiuteris, telefonas, kėdė, spausdintuvas, rašiklis, stalas, elektrinis virdulys, dokumentų aplankai, radijas, šaldytuvas, viryklė, skalbimo mašina, sauskelnės, žaislai, pievelės laistymo žarna, šokdynė, daugybė automobilio detalių, įvairiausių paskirčių maišeliai, pakuotės, buteliai... Vardinti galima būtų be galo – jei staiga Žemę aplankytų ateiviai–plastiko grobikai ir pavogtų visą plastiką, žmonių civilizacija, ko gero, kuriam laikui grįžtų į akmens ar bent jau geležies ir medžio amžių.
Plastikas – tai buityje naudojamas žodis, kuriuo dažniausiai apibūdiname daug daugiau medžiagų, vadinamų polimerais. Šios medžiagos gali būti spalvotos arba skaidrios, lanksčios arba tvirtos, šiurkščios arba slidžios, matinės arba blizgios, laidžios ir nelaidžios elektros srovei, degios ir nedegios, lengvos ir sunkios, jos gali imituoti odą, medieną arba metalą, jos virsta siūlais ir audiniais drabužiuose. Polimerai gali įgyti tūkstantį ir vieną pavidalą: plastikai, gumos, pluoštai, elastomerai, proteinai, celiuliozės. Tad kas gi tie polimerai?
Pirmieji polimerų žingsniai
Terminas „polimeras“ yra sudarytas iš dviejų graikiškų žodžių „poly“ ir „meros“, kurie reiškia „sudarytas iš daug dalių“. Polimerų molekulės yra sudarytos mažesnių, pasikartojančių blokelių, vadinamų monomerais, kurie yra susijungę į ilgas grandines. Įsivaizduokite sąvaržėlę – tai monomeras. Jei sujungtume daug vienodų sąvaržėlių į vieną grandinę – tai bus polimeras.
Polimerai nėra žmogaus išradimas – gamtoje galima rasti daugybę molekulių, kurios yra sudarytos iš ilgų grandinių su pasikartojančiomis dalimis. Organiniai polimerai yra labai svarbūs visiems gyviems organizmams. Pavyzdžiui, augalai didesne dalimi yra sudaryti iš polimerų – celiuliozės, lignino ir įvairių dervų. Kiti svarbūs organiniai polimerai yra baltymai bei nukleorūgštys, pavyzdžiui, genetinį kodą talpinanti DNR ar už įvairių medžiagų transportą ląstelėje atsakinga RNR.
Atrodo, viskas taip paprasta! Deja, iš pradžių mokslininkai ir inžinieriai visai taip nemanė – pirmosios polimerinės medžiagos buvo pagamintos XIX a. viduryje, tačiau turėjo praeiti apie šimtą metų, kol mokslininkai pilnai perprato polimerų susidarymo procesą ir visas jų savybes.
Visgi tikru pirmuoju žmogaus susintetintu polimeru gali būti laikomas polistirenas, dar vadinamas putplasčiu. Šiandien jis naudojamas patalpų apšiltinimui bei kai pakavimo medžiaga. Pirmą kartą 1839 metais jį susintetino vokiečių vaistininkas Eduardas Simonas. Deja, tuo metu jis nežinojo, ką sukūrė ir putplastis išmoktas gaminti bei panaudoti tik beveik po šimto metų.
Tarsi atvėrus Pandoros skrynią, antroje XIX amžiaus pusėje įvairūs išradėjai vieną po kito pradėjo sintetinti įvairius polimerus, kurių pagrindu buvo natūralus gamtos pagamintas polimeras – celiuliozė. 1869 metais Johnas W. Hyattas užpatentavo celiulioidą – nesprogų celiuliozės nitrato variantą. Celiuliozės nitratą buvo susintetinę keli mokslininkai kiek anksčiau – sumaišius azoto rūgštį su medžio celiulioze, medvilne ar krakmolu. J.W. Hyatto patentuota medžiaga iš pradžių buvo naudojama biliardo kamuoliams, pianinų klavišams ir dirbtiniams dantims gaminti. Celiulioidas išgelbėjo daugybę dramblių gyvybių, mat minėti produktai anksčiau buvo gaminti iš dramblio kaulo. Tačiau tai ne viskas – celiulioidas paskatino fotografijos, kino pramonės ir rentgenografijos vystymąsi.
1872 metais vokiečių chemikas Eugenas Baumannas susintetino polivinilchloridą, dar vadinamą PVC arba vinilu, be kurio neįsivaizduojama muzikos įrašų revoliucija. Šiandien vinilas yra antras pagal populiarumą plastikas pasaulyje. 1894 metais buvo susintetinta viskozė, naudojama tekstilės pramonėje...
Tad už ką Nobelis?
Įvairius XIX ir XX amžių sandūroje susintetintus polimerus galima vardinti be galo. Visgi svarbu suprasti, kad polimerai tuo metu nebuvo iki galo suprasti – mokslininkai manė, kad šias medžiagas sudarančius monomerus jungia kažkoks paslaptingas cheminis ryšys. Polimerų panaudojimo būdai buvo akivaizdūs, todėl jų tobulinimo ėmėsi įvairios chemijos pramonės bendrovės, pavyzdžiui, BASF, „DuPont“ ar „Philips“.
Pirmoje XX amžiaus pusėje chemikai ir inžinieriai sukūrė daugumą mums žinomų polimerų, kuriuos šiandien naudojame tiek pramonėje, tiek buityje – tai buvo tikras polimerų vajus. Tuo metu buvo susintetinti arba ištobulinti iki galutinių, lengvai panaudojamų produktų tokie kasdieniai polimerai, kaip nailonas, poliuretanas, putplastis, polietilenas, teflonas, polipropilenas ir daugybė kitų. Ypač didelį postūmį šioje srityje suteikė Vokietijos bei kitų šalių karinės pramonės ruošimasis Antrajam pasauliniam karui, mat, pavyzdžiui, gumos ir šilko (parašiutams) tiekimas iš Azijos šalių buvo ribotas.
Chemijos pramonės bendrovėse visada dirbo nemažai mokslininkų chemikų, kurie, ieškodami naujų polimerų rūšių bei jų sintetinimo būdų, po truputį judėjo link geresnio supratimo, kas gi iš tiesų yra tie polimerai.
Bene svarbiausias jų yra vokietis chemikas Hermannas Staudingeris, 1910 metais vokiečių chemijos milžinės BASF užsakymu tyrinėjo izopreno, natūralią gumą sudarančio monomero, sintetinimo būdus. Jis pirmasis 1922 metais publikavo mokslinį straipsnį, kuriame pateikė hipotezę, kad polimerai iš tiesų yra didžiulės molekulės, kurias sudarantys monomerai kovalentiniu ryšiu yra susijungę į grandines. Iš pradžių H. Staudingerio teorijai nepritarė dauguma chemikų, tačiau ilgainiui atsirado vis daugiau mokslininkų, kurie savo eksperimentais patvirtino vokiečių chemiko teoriją. Tarp jų svarbiausias buvo amerikiečių bendrovės „DuPont“ chemikas Wallace'as Carothersas, eksperimentiškai pagrindęs H. Staudingerio teoriją. Be to, W. Carothersas sukūrė ir nailoną, kuris sukėlė revoliuciją drabužių bei karo pramonėje.
Vėliau H. Staudingeris ėmėsi tyrinėti organinius polimerus ir jo darbai padėjo pagrindus molekulinei biologijai, kuri tyrinėja baltymų ir kitų, gyvus organizmus sudarančių makromolekulių prigimtį ir elgesį. Ir tik 1953 metais H. Staudingeriui buvo įteikta Nobelio premija „už atradimus makromolekulių chemijos srityje“. Beje, šis mokslininkas atrado ir ketenus – medžiagas, kurios vėliau buvo panaudotos antibiotikų gamyboje.
Jei H. Staudingeris perprato, kas yra polimerai, tai kaip juos sintetinti pasaulį išmokė kiti du chemikai – vokietis Karlas Ziegleris ir italas Giulio Natta. Jie atrado ir aprašė polimerizacijos reakcijas bei joms reikalingus katalizatorius (medžiagas, skatinančias šias reakcijas). Šių mokslininkų atradimai leido efektyviau sintetinti daug patvaresnius polimerus. Jiems Nobelio premijos už pasiekimus polimerų sintetinimo srityje suteiktos 1963 metais. Po vienuolikos metų, 1974-aisiais Nobelio premija suteikta dar vienam chemikui, tyrinėjusiam polimerus – Paului Flory. Premiją jis gavo „už pasiekimus teoriškai ir eksperimentiškai tyrinėjant polimerus sudarančių makromolekulių fizikines savybes“.
Grubiai visų keturių mokslininkų indėlį apibendrinti galima taip: H. Staudingeris atsakė į klausimą, kas yra polimerai, K. Ziegleris ir G. Natta paaiškino, kaip juos geriau sintetinti, o P. Flory išsamiai ištyrė polimerų savybes.
Formelės širdims
Kai kas galėtų sakyti, kad polimerų istorija čia ir baigiasi. Supratome jų sandarą, išmokome juos efektyviai gaminti ir labiausiai prie to prisidėjusiems davėme Nobelio premijas. Šiandien įvairūs polimerais mus supa kiekviename žingsnyje – kas dar įdomaus čia gali būti? Visgi mokslininkai ir inžinieriai tikrai taip nemano – polimerų panaudojimo galimybės jiems atrodo neišsemiamos.
Tuo tarpu meksikietis chemikas Sergio Jésus Rico Velasco prieš porą metų sukūrė polimerinę medžiagą „Solid Rain“ (galima sakyti „sausas lietus“), skirtą kovoti su sausra. Tai kalio poliakrilato milteliai (panaši medžiaga, į tą, kuri naudojama sauskelnėse), kurie sugeria vandenį ir pavirsta žele – 10 gramų šios medžiagos gali sugerti apie vieną litrą vandens. Įmaišius šią medžiagą į dirvožemį, lyjant ji sugeria vandens perteklių, o sausros metu atiduoda drėgmę augalams.
Visgi didžiausia polimerinių medžiagų perspektyva – medicinoje. Jau Antrojo pasaulinio karo metu medikai pastebėjo, kad organinio stiklo skeveldros, įstrigusios karo lakūnų kūnuose, nesukeldavo rimtų infekcijų. Kai kurie polimerai Nuo tada įvairūs polimerai yra naudojami kaip kaukolės kaulų pakaitalas. Šiandien iš fosforinių polimerinių medžiagų yra gaminamos „formelės“, kuriose gerai auga įvairių organų audiniai – tai rimti žingsniai dirbtinai auginamų inkstų ar kepenų srityje. Taip pat polimerai yra realiausi kandidatai dirbtinių kraujagyslių, raumenų ar odos auginimui.
Žinoma, šių ir kitų fantastiškai skambančių atradimų teks dar palaukti porą dešimčių metų, tačiau per tą laiką bus sukurti dar šimtai polimerinių medžiagų panaudojimo būdų. Nes su kiekvienais metais gilės šių medžiagų supratimas – juk ir XIX amžiaus išradėjai, sukūrę pirmuosius plastikus, negalėjo suvokti viso polimerų potencialo, kurį atskleidė jų sandaros ir veikimo principų suvokimas.
