Ученые из Инженерного университета Торонто создали новый материал, который может стать более безопасной заменой антипригарным веществам, обычно используемым в кухонной утвари и других изделиях.
Разработка обладает водо- и жироотталкивающими свойствами, сопоставимыми со стандартными антипригарными покрытиями, но содержит значительно меньше пер- и полифторалкильных веществ (ПФАС), вызывающих опасения из-за их воздействия на экологию и здоровье человека.
"Научное сообщество давно работает над созданием более безопасных альтернатив ПФАС, – отмечает профессор Кевин Головин, руководитель Лаборатории DREAM (Durable Repellent Engineered Advanced Materials) при Инженерном факультете Университета Торонто. – Главная трудность заключается в том, что создать вещество, отталкивающее воду, относительно просто, но добиться такого же эффекта в отношении масла и жира – гораздо сложнее. Предел эффективности альтернативных материалов до сих пор не был достигнут."
Тефлон, также известный как политетрафторэтилен (ПТФЭ), получивший известность после своего изобретения в конце 1930-х годов, славится своей способностью отталкивать воду, масло и жир. Тефлон является частью более широкой группы веществ, называемых пер- и полифторалкильными веществами (ПФАС).
Молекулы ПФАС состоят из цепочек атомов углерода, каждый из которых связан с несколькими атомами фтора. Инертность связей между углеродом и фтором обеспечивает антипригарные свойства ПФАС.
Однако эта же химическая инертность приводит к тому, что ПФАС устойчивы к естественным процессам разрушения органических молекул. Поэтому их часто называют "вечными химикатами".
Помимо своей устойчивости, ПФАС имеют свойство накапливаться в биологических тканях, и их концентрация может увеличиваться по мере продвижения по пищевой цепи.
Исследования связывают воздействие высоких уровней ПФАС с определенными видами рака, врожденными дефектами и другими проблемами со здоровьем, при этом ПФАС с более длинной цепью, как правило, считаются более опасными, чем ПФАС с более короткой цепью.
Несмотря на риски, отсутствие альтернатив означает, что ПФАС широко используются в потребительских товарах, включая кухонную посуду, ткани, устойчивые к дождю, упаковку для пищевых продуктов и косметику.
"В качестве альтернативы ПФАС мы используем полидиметилсилоксан, или ПДМС, – говорит Головин. – Он часто продается под названием силикон, и в зависимости от состава он может быть очень биосовместимым – его часто используют в устройствах, предназначенных для имплантации в организм. Однако до сих пор нам не удавалось добиться, чтобы PDMS функционировал так же эффективно, как ПФАС".
Чтобы решить эту проблему, аспирант Сэмюэль Ау разработал новый химический метод, получивший название "наномасштабное оперение".
"В отличие от традиционного силикона, наша технология предполагает присоединение коротких цепей ПДМС к основному материалу, наподобие ворсинок на щетке, – поясняет Ау. – Для повышения маслоотталкивающих свойств мы использовали предельно малую молекулу ПФАС, состоящую из одного атома углерода и трех атомов фтора. Нам удалось закрепить около семи таких молекул на конце каждой "ворсинки" ПДМС. Если представить это в нанометровом масштабе, то получится подобие оперения стрелы, в месте ее соединения с луком. Это можно назвать нано-оперением".
После нанесения нового материала на ткань команда провела испытания, капая различные масла, чтобы оценить его отталкивающие свойства. Согласно шкале Американской ассоциации химиков-текстильщиков и колористов, покрытие получило оценку 6, что сопоставимо с эффективностью распространенных покрытий на основе ПФАС.
"Несмотря на использование молекулы ПФАС, она является минимально возможной по размеру и не накапливается в биосреде, – подчеркивает Головин. – На основании научных данных и нормативных требований наиболее опасными считаются ПФАС с длинными цепями, в то время как короткоцепочечные ПФАС признаны менее вредными. Наш гибридный материал обеспечивает сравнимую эффективность с длинноцепочечными ПФАС, но с значительно меньшим риском".
Головин отмечает, что команда готова к сотрудничеству с производителями антипригарных покрытий для масштабирования и коммерциализации разработки. Параллельно ведутся работы над альтернативными решениями.
"Идеальным решением было бы создание материала, превосходящего тефлон, но полностью лишенного ПФАС, – отмечает профессор Головин. – Мы пока не достигли этой цели, но сделали важный шаг в нужном направлении".
Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Изображение: новый антипригарный материал, изготовленный с помощью технологии нанооперения. Все отталкиваемые капли представляют собой масла с низким поверхностным натяжением: слева направо: гексадекан, тетрадекан, додекан и декан. Источник фото: Сэмюэл Ау / Инженерный университет Торонто
