ТМФ учествува во многубројни меѓународни научноистражувачки, апликативни и развојни проекти со индустријата, кои се директно или индиректно поврзани со полимерните материјали
Автор: Д-р Гордана Богоева-Гацева, редовен професор на Технолошко-металуршки факултет, УКИМ, Скопје
Иако насловот навестува, сепак, овој текст не се однесува на актуелните прашања за историјата на Македонија и македонскиот народ, туку на едно друго подрачје, во кое, за среќа, не се возможни фалсификувања на фактите, дури ниту на оние историските. Имено, насловот е дел од обраќањето на професорот Брент Самерлин од Универзитетот во Флорида по повод одбележувањето на јубилејот – 100 години од науката за полимерите: „Иронично е… дека многу од предизвиците за одржливоста, со кои се соочуваат научниците во областа на полимерите денес, произлегуваат од претходниците кои одлично ја вршеле својата работа: развиле... материјали (полимери) кои се долговечни и се произведуваат од евтини суровини. Во второто столетие на полимерите, клучна одговорност на полимерната заедница во светот е да продолжи со иновациите преку креативна хемија, но не заборавајќи ги лекциите од минатото.“
Во 2020 година се одбележа 100-годишнината од револуционерното откритие на германскиот хемичар Херман Штаудингер (Hermann Staudinger, 1881-1965), кое ја положи основата на науката за полимерите и ја отвори вратата на модерниот свет на пластиката, каков што го познаваме денес, свет кој е невозможно да го замислиме без мобилни телефони, автомобили, компјутери, мебел, уреди во домаќинството, спортска опрема, облека... Во сè што е набројано, но и во многу повеќе, вградени се полимерите и пластиката.
Историски гледано, полимерите го започнале патот со несигурни чекори од „производство без научно разбирање“ (уште во 19 век, преку вулканизација на природната гума, откривањето на ебонитот, производите од целулозен нитрат и целулоид, производството на бакелит) до софистицираните методи на молекуларно инженерство развиени во 20 век, кои овозможија производство на полимери со однапред зададени својства.
Каква е заслугата на Штаудингер, што покрај многу други научни откритија во ова подрачје, токму неговото се смета за никулец од кој израснува „сознајното дрво“ на науката за полимерите? Одговорот, веројатно, може да се искаже преку една аналогија.
Проф. д-р Гордана Богоева-Гацева
Тајната на животот со сите нејзини можни манифестации низ векови се обидувале да ја одгатнат најголемите умови на човештвото. Но дури по откритието на Џ. Вотсон и Ф. Крик (1953 год.) за двојната спирала на ДНК (тогаш именувано како „најважната работа во биологијата за последните 100 години, која отвора перспективи за истражувања во наредните 100 години“) биологијата го достигнува молекуларното ниво. И навистина, како што било претпоставено, по тоа откритие станува возможно да се одговори на фундаменталните прашања поврзани со генските информации складирани во оваа гигантска молекула на ДНК: зошто некој се раѓа како синоок, а некој со темна кожа, кој ќе се роди како момче, а кој како девојче, кои болести се наследни... и многу други. Сите одговори се покажало дека, на некој начин, се поврзани со својствата на полимерите, каква што е и самата ДНК - „најважната молекула за животот“.
Аналогно на откритието на Вотсон и Крик, откритието на Штаудингер за верижната природа на полимерните молекули ја овозможило анализата на полимерите од молекуларна гледна точка. Во почетокот на 20 век, кога хипотезата за атомско-молекуларната градба на супстанциите била конечно докажана, сепак никој не се обидувал да ги анализира својствата на полимерите од молекуларен аспект, иако природните полимери (каучукот, целулозата, волната...) во тоа време веќе широко се исползувале. Со години доминирало мислењето дека полимерите претставуваат некакви сложени колоидни системи, па оттука и специфичните својства. Се верувало дека молекули со релативна маса поголема од 5000 се нестабилни и би се распаднале дури и ако се успее такви да се синтетизираат.
Кога, наспроти таквите етаблирани гледишта, во 1920 година Штаудингер ја објавил статијата „За полимеризацијата“ (Über Polymerisation, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 53 (6) (1920) 1073-1085), во која ја воведува хипотезата за верижната структура на молекулите на гумата, но и на многу други природни продукти (како скробот, целулозата и протеините), што резултира со огромна молекулска маса, тоа било дочекано со огромен скептицизам, па дури и со потсмев. На еден од неговите семинари му било зададено цинично прашање: „А колку долги се тие ваши молекули – колку еден нокт или колку прст?“, што било проследено со цинична смеа во аудиториумот. Од денешен аспект, се разбира, самото прашање е смешно и апсурдно, бидејќи молекулата на ДНК, на пример, може во должина да достигне метри.
Во молекулите на гумата, постулирал Штаудингер, огромен број мономерни единки на изопрен се ковалентно поврзани меѓу себе, градејќи на тој начин огромна молекула, дотогаш непозната во хемијата, нарекувајќи ја макромолекула. Во историјата на науката останало забележано дека противниците на Штаудингеровата хипотеза, меѓу кои и многу познати хемичари како В. Освалд, Х. Прингсхајм, К. Хес, К. Харис и П. Карер, долго време го поддржувале „колоидниот концепт“. Тие тврделе дека природните материјали, гумата, целулозата и протеините, се изградени од агрегати од мали молекули, кои ги поврзуваат меѓумолекулски врски послаби од валентните. Меѓу поддржувачите на традиционалната колоидна хипотеза имало и нобеловци (на пример, Х. Виланд, добитник на Нобеловата награда за хемија во 1927 година).
Во прилог на макромолекуларната теорија на Штаудингер биле истражувањата на Ј. Р. Кац, Е. А. Хаузер и Х. Марк (1925, 1926) спроведени со помош на рендгенска дифракција на гума во затегната состојба, кои укажувале на можно присуство на делумно кристализиран материјал. Токму ова откритие одело во прилог на идејата за постоење еластични макромолекули, кои при механичка деформација можат да се подредат во ориентирани творби со висок степен на внатрешна подреденост. Воедно, биле објавени и првите резултати за структурата на еден друг природен полимер, целулозата, составена од вериги на заемно ковалентно врзани глукозидни единки (О. Спонслер, В. Дор). Во 1924, благодарение на развојот на ултрацентрифугата, Сведберг успева да предизвика седиментација на некои колоиди, со што се изолирани чисти супстанции и определена е и нивната молекулска маса, која за молекулата на хемоглобин изнесувала 68000 единици, а за хемоцијанин – околу 5 милиони (1928). Конечно, макромолекуларната природа на полимерите била брилијантно потврдена со синтезите на В. Кародерс во лабораториите на Дипон, кога бил добиен нов синтетички полимер – полиамид („најлон“), кој можел да се топи и во таква растопена состојба од него да се извлечат многу јаки и еластични влакна. На ова откритие, благодарни сме за денешните хулахопки, костими за капење, спортска облека, техничкиот полиамиден кабел... и многу други предмети од секојдневието!
Во историјата на полимерите ќе остане забележан долг период, од 1920 до 1935 година, додека постоењето на макромолекули не било целосно прифатено од тогашната научна заедница. Ќе бидат потребни потоа уште петнаесетина години за да се изучат основните законитости на синтезата на макромолекулите и да се разбере потенцијалот на овие волшебни градбени молекули на полимерите. Полимерите се единствени материјали кои, поради нивната молекуларна градба, обединуваат две спротивни својства: јачина и еластичност. Таткото на современата наука за полимерите, како што го нарекуваат Штаудингер, ја добил Нобеловата награда за хемија во 1953 година. Во почетокот на својот говор по тој повод, Штаудингер ќе одбележи дека „најважните природни супстанции (протеините, ензимите, нуклеинските киселини, покрај полисахаридите како целулоза, скроб и пектините) се макромолекуларни соединенија, а такви се и новите, целосно синтетички полимери и вештачки влакна. Макромолекуларната хемија е многу важна и за технологијата и за биологијата.“ Последните зборови ќе се покажат како вистинити во периодот што следувал, и за технологијата на полимерите и за биологијата.
Втората половина на 20 век ја обележаа уште неколку значајни откритија во областа на полимерите. Неизбежно е да се споменат барем две: она на К. Циглер и Џ. Ната за каталитичките системи кои овозможуваат контрола на структурата на полимерната верига (Нобелова награда, 1963.), што го отвори поглавјето на индустриското производство на изотактичен полипропилен; од непроценлива важност е и откритието на П. Ј. Флори (Нобелова награда за хемија, 1974.) дека индивидуалните макромолекули на полимерите се со различна должина - уште една специфика на полимерните молекули, која ги дефинира нивните физички, хемиски, механички и други својства.
За многу краток период, од средината на дваесеттиот век па до неговиот крај, полимерите излегоа надвор од истражувачките центри и лаборатории и станаа незаменлив материјал во сите области на секојдневниот живот, продирајќи и во високите технологии на ракетната индустрија и електрониката. Науката за полимерите, благодарение на откритието на Штаудингер за молекуларната градба на овие волшебни молекули, прерасна од фундаментална во интердисциплинарна наука, чии плодови се вградени во сите пори на животот. Втората половина на 20 век ја означи „златната ера“ на синтетичките полимери, обележана со масовно производство на полиетилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиамиди (алифатски и ароматски), полиетилентерфталат, полистирен, политетрафлоретилен, полиуретани, полиакрилати... но и на полимерите за специјална намена. Благодарение на брзиот развој на методите за управување со синтезата и дизајнирањето на својствата на полимерите и лесното процесирање, нивната примена денес опфаќа дијаметрално различни подрачја. Од нив се произведуваат влакна за текстилната индустрија, но и влакна со пречник од неколку десетици микрони до нанометри за специјални намени и филтрација; пластика за секојдневна употреба, но и композити за авионската индустрија; бои, лакови и премази – антикорозивни, естетски, но и „интелигентни“, со приспособливи својства; електроспроводливи материјали и материјали за градежништвото; импланти за медицина и носачи на лекови со продолжено и таргетирано дејство...
Второто столетие во кое оваа 2021 година зачекоруваат полимерите се соочува и со низа предизвици поврзани со загадувањето на околината со пластичниот отпад и изнаоѓањето еколошки и економски оптимални решенија за третман на отпадот, како и со сè поактуелното прашање на опасностите од микропластиката, која, за жал, се вградува во животниот циклус на нашата планета. Во тој контекст се и зборовите на Брент Самерлин, од почетокот на овој текст. Имено, еден од предизвиците во 21 век за полимерите е „развој кој ќе ги задоволи сегашните потреби без притоа да ги компромитира потребите на идните генерации“, како што е дефиниран одржливиот развој. Во таа смисла, одржливите технологии во подрачјето на полимерите веќе понудија биоразградливи полимери, како што се полилактидите, на пример, за амбалажа и како носачи на лекови, но и полимери за пакување без опасниот бисфенол-А. Развиени се и полимерни мембрани со наноморфологија за селективен пренос на јони, полимери кои реагираат соодветно на надворешни дејства, еко-пријателски полимери-носачи на ѓубрива во земјоделството, како и биополиетилен синтетизиран од мономер од обновливи ресурси, а не од нафтата. Изолирани се микроорганизми (Јошида, 2016) кои поседуваат ензими соодветни за аеробна деградација на PET-полимер, кој е меѓу најзастапените во вкупниот пластичен бионеразградлив отпад, а исто така и микроорганизми кои ги разградуваат PE и PS до нетоксични продукти. Развојот на нови ензимски системи се очекува да резултира со исплатливо производство на метан-гас од отпадната пластика.
Во секој случај, како и во животот, и во науката важи правилото: „оние што не ја паметат историјата, осудени се да ја повторат“. За среќа, лекциите од историјата на науката за полимерите се запаметени и вградени во сегашноста, а ќе ја обликуваат и иднината.
На Универзитетот „Св. Кирил и Методиј“ полимерите и полимерните материјали се изучуваат веќе шеесетина години на Технолошко-металуршкиот факултет, во рамките на различни студиски програми, кои со текот на времето се менувани и осовременувани, во согласност со развојот на науката и потребите на стопанството во земјата. Денес се активни две програми – полимерно инженерство и инженерство на материјали и нанотехнологии. Факултетот учествува во многубројни меѓународни научноистражувачки, апликативни и развојни проекти со индустријата, кои се директно или индиректно поврзани со полимерните материјали. Тоа, меѓу другото, овозможува и постојано модернизирање на инфраструктурата на лабораториите, кои служат за научноистражувачка работа и настава, но исто така се во служба на индустријата од ова подрачје, одржувајќи ја потребната спона наука-технолошка пракса, без која ниту една применета наука не би имала смисла. Истражувањата во подрачјето на полимерите во кои е вклучен факултетот се насочени кон актуелните прашања поврзани со развојот на мултифункционални композитни материјали со јаглеродни наночестички, материјали со антибактериски својства, еластомерни нанокомпозити со графен и графен оксид, биоразградливи и биокомпатибилни полимери во инженерство на ткива и како носачи на активни компоненти, нанокомпозити добиени со електрополимеризација, полимерни и графен-композитни сензори за детекција на гасови и други супстанции, полимерни композити зајакнати со влакна, функционални полимерни премази, како и методи за рециклирање на пластичниот отпад, вклучувајќи пиролиза на отпадна пластика до течни горива.