Тільки-но почали руйнуватися полімерні матеріали можна змусити світитися за допомогою сполук борної кислоти.
Всі матеріали рано чи пізно старіють і починають руйнуватися: в них з'являються тріщини, вироби втрачають міцність і перестають виконувати свої функції. Непідвладним часу не можуть бути ні дерево, ні метал, ні бетон, ні будь-яка інша речовина. Природно, що і такий поширений в наші дні матеріал, як пластик, теж не уникнув «старечих» проблем. З одного боку, за пластиком закріпилося уявлення як про недовговічний матеріал - в цьому чималу роль зіграла та ж дешева одноразова упаковка, на зразок пакетів, пляшок і плівки.
Але, з іншого боку, вироби з полімерних матеріалів можуть служити вірою і правдою не просто роками, а десятиліттями і навіть століттями. Взяти хоча б водопровідні труби з пластику - їм не страшні корозія, морози і навіть землетруси, а термін експлуатації легко перевалює за сотню років. Напевно ви зможете знайти приклади з життя, коли непоказна з вигляду пластикова річ служить і категорично відмовляється ламатися роками. Буває і зворотна ситуація, коли ні з того ні з сього в пластиковому виробі раптом виникають тріщини, відламуються кріплення або трапляється ще якась неприємність.
Знати, в якому точно стані знаходиться той чи інший предмет, зроблений з полімерів, може виявитися вкрай корисним. Можна не тільки завчасно замінити пластикову деталь або елемент конструкції, але і в точності сказати, коли той же предмет гарантовано ще послужить, тим самим заощадивши на заміні матеріалу і не допустивши утворення непотрібних відходів. Так як же дізнатися у пластику, як він себе почуває, і який його справжній вік, а «не за паспортом»?
Дослідники з Пекінського університету хімічних технологій запропонували використовувати для цих цілей одну з сполук борної кислоти - борний люмінофор (DPBA). Як і практично будь-які інші люмінофори, борний люмінофор здатний світитися при потраплянні на нього ультрафіолету. Але його головна особливість полягає в тому, що молекули цього люмінофору можуть закріплюватися на тих ділянках полімерних ланцюжків, які вже почали якось хімічно старіти.
Справа в тому, що при дії температури, кисню або того ж ультрафіолету, полімерні ланцюжки (у разі найпростіших полімерів на кшталт поліетилену або поліпропілену) починають розриватися, і в місці розриву швидко утворюються фрагменти, що містять атом кисню - гідроксильні групи. Просто кажучи, полімер починає потихеньку окислятися. Спочатку масштаби цього процесу незначні, але з часом цих областей руйнування стає все більше, крім того, вони починають рости «вглиб» матеріалу, призводячи вже до механічних пошкоджень. Тут цілком можна провести аналогію з цвіллю, що руйнує необроблену деревину.
Так от, якщо полімер занурити ненадовго в розчин з борним люмінофором, то останній прореагує з гідроксильними групами в вогнищах руйнування полімеру. Після відмивання люмінофор залишиться тільки в тих місцях, де він хімічно зв'язався з пошкодженими молекулами пластику, тим самим виступивши в ролі своєрідного проявника - при опроміненні пластику з люмінофором світлом певної довжини хвилі вогнища пластикової «корозії» видадуть себе яскравим світленням.
На відміну від інших методів, обробка борним люмінофором дозволяє побачити саме-саме початок процесів старіння, коли пластик ще не почав руйнуватися, але вже з'явилося перше «сиве волосся». Поки що дослідники перевірили працездатність методу на плівках з двох найбільш поширених полімерних матеріалів: поліпропілена і поліетилену.
Де потенційно могла б стати в нагоді подібна технологія оцінки ступеня застарівання полімерів?
Навряд чи вона виявиться зручною для побутового застосування, принаймні, зараз - все-таки вивчати флуоресценцію пластикових деталей, щоб спрогнозувати час, що залишився до поломки, справа досить клопітка. Однак оцінити залишковий ресурс, наприклад, водопровідних труб з поліпропілену таким методом може бути цілком можливо і розумно.
Відмінність в якості використовуваних труб, різні умови експлуатації - все це створює невизначеність в тому, скільки ще прослужить система до першої протікання: десять років, п'ятдесят або трубам вже настільки погано, що їх треба міняти вже «вчора».
За матеріалами ACS Central Science