В греческом мифе об Икаре тающие на солнце крылья — это трагедия. Однако для военных летающие аппараты, испаряющиеся под воздействием солнечного света, могут стать мощным оружием: представьте себе беспилотник, который бесследно исчезает после тайной доставки припасов в отдаленное место.
Такие пластмассы могут также использоваться для изготовления датчиков окружающей среды и медицинских приборов, которые растворяются после сбора данных, или для создания временных клеев, которые отклеиваются с помощью тепловой пушки. «Они отлично подходят для ситуаций, в которых вы хотите, чтобы вещи быстро исчезали», — говорит Пол Кол, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Технологическом институте штата Джорджия.
Презентация Кола охватывала самые последние улучшения, которые он с коллегами внесли в свой материал, однако его команда работала над формулой этого вещества в течение многих лет — и это не единственная попытка создать временные пластмассы. У Агентства перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA) есть целые программы для финансирования исследований, которые могут привести к разработке исчезающих устройств для доставки по воздуху, включая работу Кола.
Это весьма непростая задача. Пластик состоит из синтетических полимеров, длинных цепочек более мелких молекул, связанных сверхсильными связями. Возвращение их к своим строительным блокам требует разрыва каждой связи, сродни разрыву ожерелья бусинка за бусинкой. Поскольку на этот процесс могут влиять влажность, кислотность, температура и другие факторы в окружающей материал среде, разрушение может занять месяцы и годы — если вообще произойдет. «Есть много синтетических пластмасс, которые разлагаются», — говорит Кол, «но это медленный и болезненный процесс».
Чтобы создать прочные пластмассы, которые быстро разрушаются при определенных условиях, команда Кола и некоторые другие исследователи обратились к молекуле, называемой полифталальдегид (PPHA). Как и все полимеры, он распадается на строительные блоки при нагревании выше определенной температуры. Но в отличие от пластиков, используемых в бутылках и пакетах, которые разрушаются только при очень высокой температуре, PPHA способен распадаться при температуре даже ниже комнатной. Это свойство позволяет легко разрушить такой полимер, но это все еще не совсем то, что нужно.
Чтобы заставить PPHA стать псевдостабильным, Кол с коллегами «завязали» его полимерную цепь в кольцо. «Теперь он деполимеризуется только с конца во внутрь», — говорит Кол. «Это как очищать банан», — объясняет он. «Трудно сделать это с середины, но легко с конца». Хотя круговая структура предотвращает разрушение модифицированного PPHA при обычной комнатной температуре, если триггер разрывает хотя бы одну связь, «вся молекула мгновенно деполимеризуется и полностью разваливается», — говорит он.
«Это довольно умно, потому что они сконструировали полимер, работающий по принципу молнии: достаточно потянуть за язычок и прочная до этого связь тут же распадется», — говорит Эндрю Дав, профессор химии в Университете Бирмингема в Англии, который не участвовал в новом исследовании. Команда Кола также доработала процесс «расстегивания молнии», добавив в круговой PPHA целый микс из разных химических веществ.
Чтобы вызвать уничтожение полимера с помощью ультрафиолета, исследователи добавили в соединение вещество, которое окисляется в присутствии солнечного света, а затем разрушает связи PPHA. И чтобы замедлить скорость этой деградации, тем самым предоставив простому летательному аппарату, например планеру, достаточное количество времени для выполнения своей миссии, они добавили в материал дополнительные щелочные вещества, которые реагируют с кислотой и ослабляют ее.
Тем не менее, даже в своей круглой форме PPHA изначально был недостаточно стабильным для длительного использования. Кол и его коллеги обнаружили, что примеси в полимере — главным образом следы катализатора трифторида бора, который используется для сборки цепи PPHA — были основными виновниками. Удалив все такие примеси, они увеличили срок годности материала. «Теперь он может храниться до 20 лет в помещении при комнатной температуре», — говорит Коля. «Свет от флуоресцентных ламп его не разрушит».
Несмотря на эти улучшения, полученный пластик был сложен в использовании из-за его относительно хрупкой структуры. Но на собрании Американского химического общества Кол объявил, что он и его коллеги решили эту проблему, добавив к пластику ионные жидкости — соли в жидкой форме. Они способны сильно менять механические свойства PPHA: один тип ионной жидкости делает пластик более жестким и твердым, идеально подходящим для крыльев планера, а другой — мягким и складным, что отлично подходит для создания парашютов или упаковок.
Парашют из PPHA разложился всего за полчаса.
DARPA уже использовала новый пластик для изготовления легких прочных планеров и парашютов. В октябре прошлого года агентство провело полевые испытания одного из этих транспортных средств: ночью, будучи сброшенным с высотного аэростата, планер успешно доставил килограммовую посылку в точку на расстоянии 150 километров. После четырех часов на солнце он исчез, оставив на земле только маслянистое пятно. Кол говорит, что этот пластик может раствориться еще быстрее под ярким полуденным солнцем, в некоторых случаях процесс занимает всего пять минут.
Однако у нового пластика все еще достаточно разных проблем. Например, Дав подчеркивает, что вызванная светом деградация ограничит его использование. «Это отличная идея», — говорит он, «но я не уверен, что она подойдет для потребительского пластика». То, что остается после распада этого полимера, также имеет значение. «Ничто не исчезает полностью», — говорит Энн-Кристин Альбертссон, химик из Королевского технологического института KTH в Швеции. «Продукты разложения и их влияние на окружающую среду очень важны».
В данном случае остатки разложения — маслянистое пятно, которое когда-то было испытательным планером — в основном состоят из ионных жидкостей, которыми исследователи обрабатывали полимер. Эти соединения являются антимикробными химическими веществами, аналогичными тем, которые «используются в больницах в антибактериальных салфетках», — говорит Кол. «Однако они не подходят для употребления в пищу людьми и их контакт с пищевыми продуктами нежелателен. В будущем мы попытаемся сделать так, чтобы они испарялись».
