Мы учимся у Природы

Пока вы внимательно смотрите на каждого члена семейства природных полимеров, подумайте вот о чем: природа додумалась до всего этого намного раньше нас! Одной из важных задач для нас, ученых, является попытка понять, как же природа изобретает такие хорошие вещи, чтобы мы впредь могли подражать ей. Например, когда мы поняли, почему шелк обладает такими замечательными свойствами, мы смогли сделать синтетический шелк в виде найлонов. Но нам надо пройти, однако, еще очень долгий путь, прежде чем мы сможем делать синтетические РНК и ДНК, которые приведут к появлению синтетических живых организмов. И хотя мы, может быть, никогда и не сможем пройти этот путь до конца, но сами попытки сообразить, как же это делается, очень интересны и приводят к появлению значительных открытий в области создания синтетических полимеров, а также и в других областях, включая медицину и биохимию. Это приводит нас к важной мысли о том, что наука похожа на саму жизнь. В ней не бывает отдельных вопросов, а все вопросы переплетены между собой.

И хотя наука о полимерах - не единственная наука, и может быть, даже не самая важная (хотя нам и очень хочется так думать, поскольку мы ею занимаемся!, она является одной из сфер, которая может помочь нам понять и использовать те знания, которые мы приобретаем, изучая природу. Таким образом мы способствуем развитию технологии.

(Замечание: Просто для того, чтобы разобраться с вопросом о соотношении науки и технологии, мы заметим, что наука и технология являются разными вещами. Наука является действием, направленным на увеличение знаний путем наблюдений и экспериментов. Технология стремится применить эти знания для нашей пользы. Пример: При помощи науки мы узнали, что горячие газы расширяются. Затем, при помощи технологии мы используем принцип расширения горячих газов для создания бензинового двигателя внутреннего сгорания, который может двигать автомобиль. Вы поняли, как это происходит?)

Синтетические полимеры

Полимеры существуют дольше, чем мы сами. На самом деле, полимеры стары как сама жизнь, поскольку вся жизнь на Земле базируется на трех типах полимеров, а именно, ДНК, РНК и протеинах. Но сейчас мы поговорим о самых первых из синтетических полимеров, то есть полимерах, созданных руками человека, а конкретно производным целлюлозы.

Самым первым синтетическим полимером, конечно же, была кожа, модифицированный природный полимер, получаемый при искусственном образовании сетчатой структуры ("сшиванием") протеинов, содержащихся в шкурах животных. Дубление кожи было открыто тысячи лет тому назад, но поговорим о некоторых синтетических полимерах, появившихся позднее. Это производные целлюлозы. Их основой также служит природный полимер, целлюлоза. Они занимают особую роль в истории полимеров, поскольку их изобретение было началом всплеска в изобретении синтетических полимеров, который продолжается и в наши дни.

Производные целлюлозы являются формами целлюлозы, полимера, встречающегося в дереве, хлопке и бумаге, которые были химически изменены. Ученые впервые стали делать их во второй половине девятнадцатого века, задолго до того, как они на самом деле узнали, что такое полимеры. Самый первый из них появился, когда ученый подействовал на целлюлозу в форме хлопка азотной кислотой. В результате была получена нитроцеллюлоза.

Весьма часто, как только изобретено нечто новое, первым делом мы пытаемся сообразить, каким же образом можно применить это новое изобретение, чтобы убивать людей. Так было и в случае с нитроцеллюлозой. Нитрат целлюлозы, который также называли пушечным хлопком, оказался мощным взрывчатым веществом. Вскоре нитроцеллюлоза заменила обычный порох в качестве взрывчатого заряда в боеприпасах для пушек и ружей. И нитроцеллюлоза работала так хорошо, что она была способна убить десять миллионов людей за четыре коротких года.

Дабы быть честным по отношению к нитроцеллюлозе, надо сказать, что она была использована также и в мирных целях. Тогда, когда люди были обеспокоены тем, что стада слонов в Африке исчезали слишком быстро, и необходимо было найти замену слоновой кости для изготовления бильярдных шаров. Нитроцеллюлоза является также термопластиком, поэтому она была вскоре использована для изготовления шаров для бильярдных залов во всем мире. Единственной проблемой было то, что изредка некоторые шары взрывались во время игры.

Нитроцеллюлоза была также использована для изготовления первого композиционного материала, содержащего полимер, а именно, армированного стекла. Это был бутерброд, сделанный из листа нитроцеллюлозы между двумя слоями стекла. Этот лист из нитроцеллюлозы не давал стеклу распадаться, когда оно было разбито. Это было важным открытием для изготовления ветровых стекол автомобилей. Конечно же стекло разбивалось, осколки оставались держаться на листе из нитроцеллюлозы, вместо того, чтобы лететь в лицо пассажирам автомобиля при аварии. Если при взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой получается нитроцеллюлоза, то понять, что происходит, если вы подействуете на целлюлозу уксусной кислотой - получаем ацетат целлюлозы. Он используется в качестве волокна. Это волокно используется для изготовления мантий для выпускного вечера. А в качестве термопластика он также используется для изготовления фотопленки. Когда-то и нитроцеллюлоза также использовалась для изготовления кинопленки, но сочетание легко воспламеняющейся нитроцеллюлозы и горячих ламп в проекторе было причиной слишком большого количества пожаров в кинотеатрах. Слышали ли вы когда-нибудь, как пропадают старые фильмы, поскольку они сняты на "горючую нитратную пленку"? Эти фильмы сняты на кинопленку, сделанную из нитроцеллюлозы. Ацетат целлюлозы был просто спасением, поскольку он сберег кинотеатры от пожаров и позволил старым фильмам дольше появляться на экранах. Конечно, нам хотелось, чтобы некоторые фильмы пропадали побыстрее. Но, увы, новые кинопленки из полиэфира приходят на замену старому доброму целлюлоиду.

И конечно, если это еще не было достаточно сильным ударом для нитроцеллюлозы, ацетат целлюлозы заменил ее и при изготовлении армированного стекла.

Название "вискоза" было использовано для обозначения большого количества различных полимеров, но когда мы сегодня ведем разговор о вискозе, то обычно речь идет о ксантогенате целлюлозы. Он используется в качестве волокна, для изготовления одежды из искусственного шелка. Изначально в качестве искуственного шелка использовалась наша старая знакомая - нитроцеллюлоза, но она была слишком легко воспламеняемой, поэтому вскоре ее заменили на ацетат целлюлозы и ксантогенат целлюлозы.

Зачем делать волокна из модифицированной целлюлозы, если она и без того образует замечательные волокна? Видите ли, волокна целлюлозы имеют ворсистую текстуру. В принципе, в этом нет ничего плохого. Но с другой стороны, волокна шелка гладкие, что дает шелковым тканям такой характерный блестящий вид. Поэтому, когда было обнаружено, что волокна нитроцеллюлозы тоже гладкие и они могут быть использованы для изготовления ткани с блеском, как у шелка, то производные целлюлозы было решено использовать в качестве дешевой замены дорогому шелку

НАЙЛОН

Найлоны относятся к числу наиболее распространенных полимеров, используемых в качестве волокон. Найлон постоянно встречается в одежде, но также и в других местах, в виде термопластика. Своего первого настоящего коммерческого успеха найлон достиг в связи с его применением в женских чулках где-то около 1940 года. Они были настоящей сенсацией, но вскоре их уже стало сложно достать, поскольку на следующий год Соединенные Штаты Америки вступили во вторую мировую войну, и найлон потребовался для изготовления военного снаряжения, как например парашюты и веревки. Но еще до появления женских чулок и парашютов первыми изделиями из найлона были зубные щетки с найлоновой щетиной.

Найлоны также называют полиамидами, поскольку они содержат характерные амидные группы в своих основных цепочках. Протеины (белки), такие как шелк, на смену которым пришел найлон, также являются полиамидами. Эти амидные группы очень полярны и могут образовывать друг с другом водородные связи. Благодаря этому, а также потому, что основные цепи молекул найлона так регулярны и симметричны, найлоны часто обладают кристаллической структурой, поэтому они образуют очень качественные волокна.

Найлон называется найлон 6,6, поскольку каждое его повторяющееся звено цепи полимера содержат два участка из атомов углерода, каждый из которых содержит по шесть углеродных атомов. Другие найлоны обладают различным количеством атомов углерода в этих участках.

Что такое пластмасса?

Мы называем пластмассу пластмассой, потому что она податлива и пластична, то есть ей можно легко придать нужную форму. Поскольку пластмассы становится легко отливать и формовать, когда они нагреты, а когда они нагреты достаточно сильно, то они просто плавятся, мы называем их термопластичными материалами. Это название поможет вам отличить их от сшитых материалов, которые не плавятся при нагревании и которые называются термореактивными.

Протеины (или белки) являются одним из многих видов природных полимеров, и по разнообразию их строения и свойств намного превосходят все другие виды. Что бы вы не сказали - протеины могут это сделать. А что могут делать протеины? Лучше спросите, чего они не могут делать! Они могут быть катализаторами. Некоторые белки, называемые энзимами, заставляют определенные химические реакции в вашем организме идти в миллион раз быстрее, чем это было бы возможно без энзимов. Один белок под названием гемоглобин входит в состав вашей крови и переносит кислород из ваших легких ко всем клеткам вашего тела. Другой белок, называемый коллаген является прочным и стойким материалом, из которого сделана ваша кожа и ваши кости.

Энзимы

Энзимы являются одним из важнейших видов полипептидов, которые являются ключевым звеном для появления жизни на Земле. Все живые организмы используют энзимы для того, чтобы строить, изменять и разрушать другие виды обсуждаемых здесь полимеров. Энзимы являются катализаторами, которые выполняют четко определенную работу. На самом деле, часто каждый энзим делает только один тип работы или создает только один тип молекул. Это значит, что должно быть очень много различных видов энзимов, каждый из которых сделан из различных сочетаний аминокислот, соединенных уникальным образом в полипептидную молекулу, чтобы выполнять все работы, необходимые живому организму. И что действительно странно, что каждый из энзимов должен быть сделан при помощи других энзимов. Это приводит к появлению очень сложных механизмов управления: у нас нет ни малейших идей (в больщинстве случаев), как природа решает, какой энзим и когда должен быть создан, или как энзимы включаются и выключаются. Мы только начинаем понимать это, и изучение таких систем является важной частью биохимии и биологии.