Только-только начавшие разрушаться полимерные материалы можно заставить светиться с помощью соединений борной кислоты.

Все материалы рано или поздно стареют и начинают разрушаться: в них появляются трещины, изделия теряют прочность и перестают выполнять свои функции. Неподвластным времени не могут быть ни дерево, ни металл, ни бетон, ни любое другое вещество. Естественно, что и такой распространённый в наши дни материал, как пластик, тоже не избежал «старческих» проблем. С одной стороны, за пластиком закрепилось представление как о недолговечном материале – в этом немалую роль сыграла та же дешёвая одноразовая упаковка, вроде пакетов, бутылок и плёнки.

При нагревании тонкой полипропиленовой плёнки в материале образуются и развиваются очаги старения, в которых меняется химическая структура полимера. На фотографии показано развитие подобных дефектов вглубь плёнки в зависимости от времени нагрева, которые стали видны в микроскоп после проявки борным люминофором. Фото: ACS Central Science 2020

Фото: pxhere.com, CC0 – Public Domain

Но, с другой стороны, изделия из полимерных материалов могут служить верой и правдой не просто годами, а десятилетиями и даже столетиями. Взять хотя бы водопроводные трубы из пластика – им не страшны коррозия, морозы и даже землетрясения, а срок эксплуатации легко переваливает за сотню лет. Наверняка вы сможете найти примеры из жизни, когда неказистая с виду пластиковая вещь служит и категорически отказывается ломаться годами. Бывает и обратная ситуация, когда ни с того ни с сего в пластиковом изделии вдруг возникают трещины, отламываются крепления или случается ещё какая-нибудь неприятность.

Знать, в каком точно состоянии находится тот или иной предмет, сделанный из полимеров, может оказаться крайне полезным. Можно не только заблаговременно заменить пластиковую деталь или элемент конструкции, но и в точности сказать, когда тот же предмет гарантированно ещё послужит, тем самым сэкономив на замене материала и не допустив образования ненужных отходов. Так как же узнать у пластика, как он себя чувствует, и каков его настоящий возраст, а «не по паспорту»?

Исследователи из Пекинского университета химических технологий предложили использовать для этих целей одно из соединений борной кислоты – борный люминофор (DPBA). Как и практически любые другие люминофоры, борный люминофор способен светиться при попадании на него ультрафиолета. Но его главная особенность заключается в том, что молекулы этого люминофора могут закрепляться на тех участках полимерных цепочек, которые уже начали как-то химически стареть.

Дело в том, что при действии температуры, кислорода или того же ультрафиолета, полимерные цепочки (в случае простейших полимеров вроде полиэтилена или полипропилена) начинают разрываться, и в месте разрыва быстро образуются фрагменты, содержащие атом кислорода – гидроксильные группы. Попросту говоря, полимер начинает потихоньку окисляться. Сначала масштабы этого процесса незначительны, но со временем этих областей разрушения становится всё больше, кроме того, они начинают расти «вглубь» материала, приводя уже к механическим повреждениям. Здесь вполне можно провести аналогию с плесенью, разрушающей необработанную древесину.

Так вот, если полимер погрузить ненадолго в раствор с борным люминофором, то последний прореагирует с гидроксильными группами в зарождающихся очагах разрушения полимера. После отмывки люминофор останется только в тех местах, где он химически связался с повреждёнными молекулами пластика, тем самым выступив в роли своеобразного проявителя – при облучении пластика с люминофором светом определённой длины волны очаги пластиковой «коррозии» выдадут себя ярким свечением.

В отличие от других методов, обработка борным люминофором позволяет увидеть самое-самое начало процессов старения, когда пластик ещё не начал разрушаться, но уже появились первые «седые волосы». Пока что исследователи проверили работоспособность метода на плёнках из двух наиболее распространённых полимерных материалов: полипропилена и полиэтилена.
Где потенциально могла бы пригодиться подобная технология оценки степени устаревания полимеров?

Вряд ли она окажется удобной для бытового применения, по крайней мере, сейчас – всё-таки изучать флуоресценцию пластиковых деталей, чтобы спрогнозировать оставшееся время до поломки, дело довольно хлопотное. Однако оценить остаточный ресурс, например, водопроводных труб из полипропилена таким методом может быть вполне возможно и разумно.

Различие в качестве используемых труб, разные условия эксплуатации – всё это создаёт неопределённость в том, сколько ещё прослужит система до первой протечки: десять лет, пятьдесят или трубам уже настолько плохо, что их надо менять уже «вчера».

По материалам ACS Central Science