Исследователи из Университета Торонто разработали новый материал, который может стать более безопасной альтернативой антипригарным химическим веществам, обычно используемым в посуде и других изделиях.
Новое вещество не уступает стандартным антипригарным покрытиям
Новое вещество так же хорошо отталкивает воду и жир, как и стандартные антипригарные покрытия, но содержит значительно меньшее количество пер- и полифтороалкильных веществ (PFAS) — семейства химических веществ, вызывающих обеспокоенность с точки зрения экологии и здоровья.
Профессор Кевин Головин, возглавляющий лабораторию Durable Repellent Engineered Advanced Materials (DREAM) в Университете Торонто, говорит: «Научное сообщество давно пытается разработать более безопасные альтернативы PFAS. Задача состоит в том, что, хотя легко создать вещество, которое будет отталкивать воду, сложно сделать так, чтобы оно также отталкивало масло и жир в той же степени. Учёные достигли верхнего предела производительности этих альтернативных материалов».
Проблема антипригарных веществ
С момента изобретения в конце 1930-х годов тефлон, также известный как политетрафторэтилен или PTFE, прославился своей способностью отталкивать воду, масло и жир. Тефлон является частью более широкого семейства веществ, известных как пер- и полифтороалкильные вещества (PFAS).
Молекулы PFAS состоят из цепочек атомов углерода, каждый из которых связан с несколькими атомами фтора. Инертность связей углерод-фтор отвечает за антипригарные свойства PFAS. Однако эта химическая инертность также приводит к тому, что PFAS сопротивляются обычным процессам, которые со временем разрушают другие органические молекулы. Поэтому их иногда называют «вечными химикатами».
Кроме стойкости, PFAS накапливаются в биологических тканях, и их концентрации могут усиливаться по мере продвижения по пищевой цепочке. Различные исследования связывают воздействие высоких уровней PFAS с определёнными типами рака, врождёнными дефектами и другими проблемами со здоровьем.
Несмотря на риски, отсутствие альтернатив означает, что PFAS по-прежнему широко распространены в потребительских товарах: они широко используются не только в посуде, но и в водоотталкивающих тканях, упаковке пищевых продуктов и даже в макияже.
Альтернатива PFAS
Материал, с которым работает команда в качестве альтернативы PFAS, называется полидиметилсилоксан или PDMS, — говорит Головин. «PDMS часто продаётся под названием силикон, и, в зависимости от состава, он может быть очень биосовместимым — на самом деле его часто используют в устройствах, которые предназначены для имплантации в тело. Но до сих пор мы не могли добиться, чтобы PDMS работал так же хорошо, как PFAS».
Чтобы преодолеть эту проблему, аспирант Сэмюэль Ау разработал новую химическую технологию, которую команда называет наномасштабным оперением. Техника описана в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
«В отличие от обычного силикона, мы связываем короткие цепочки PDMS с основным материалом — вы можете представить их как щетинки на кисти, — говорит Ау. — Чтобы улучшить их способность отталкивать масло, мы добавили самую короткую возможную молекулу PFAS, состоящую из одного атома углерода с тремя атомами фтора. Мы смогли связать около семи таких молекул с концом каждой щетинки PDMS».
Если бы вы могли уменьшиться до нанометрового масштаба, это выглядело бы как перья, которые вы видите на задней части стрелы, где она крепится к луку. Это называется оперением, так что это наномасштабное оперение».
Команда покрыла новый материал куском ткани, затем поместила на него капли различных масел, чтобы посмотреть, насколько хорошо он может их отталкивать. По шкале, разработанной Американской ассоциацией химиков-текстильщиков и колористов, новое покрытие получило оценку 6, что поставило его в один ряд со многими стандартными покрытиями на основе PFAS.
«Хотя мы использовали молекулу PFAS в этом процессе, она является самой короткой из возможных и поэтому не накапливается в организме, — говорит Головин. — В литературе и даже в нормативных документах мы видим, что сначала запрещают PFAS с самыми длинными цепочками, а более короткие считаются гораздо менее вредными. Наш гибридный материал обеспечивает те же характеристики, что и то, что было достигнуто с помощью длинноцепочечных PFAS, но с гораздо меньшим риском».
Головин говорит, что команда открыта для сотрудничества с производителями антипригарных покрытий, которые могут захотеть масштабировать и коммерциализировать процесс. Тем временем они продолжат работать над ещё более альтернативными материалами.
«Святым Граалем этой области было бы вещество, которое превосходит тефлон, но без PFAS, — говорит Головин. — Мы пока не достигли этого, но это важный шаг в правильном направлении».