#kb #химия #история #перевод

Источник — smithsonianmag.com

Долгая и странная история тефлона, неразрушимого материала, к которому, кажется, ничего не прилипает.

Химики случайно открыли это вещество в 1938 году, и с тех пор оно используется для самых разных целей: от создания первой атомной бомбы до предотвращения прилипания яиц к сковороде.

Руди Молинек — репортер
20 августа 2024 г.

6 апреля 1938 года группа химиков из компании DuPont собралась вокруг части своего последнего эксперимента: обычного металлического цилиндра. Предполагалось, что в нем находится тетрафторэтилен, бесцветный газ без запаха. Но когда они открыли клапан, газ не вышел. Что-то было не так. Какое-то время они были в тупике. Цилиндр весил больше, чем должен был бы весить, если бы был пуст, но внутри, казалось, ничего не было. В конце концов, кто-то понял, что нужно разрезать цилиндр, чтобы посмотреть, что происходит. Они обнаружили, что внутренняя поверхность металла неожиданно покрыта скользким белым порошком.

«В прошлом меня спросили: „Какова была ваша реакция?“ — сказал химик компании DuPont Рой Планкетт в интервью 1986 года, посвященном истории создания компании. — Моя реакция была: „Ну, теперь нам придется начинать все сначала“».

Но вместо того, чтобы выбросить, казалось бы, неисправный баллон, Планкетт решил провести несколько экспериментов. Он обнаружил, что газ спонтанно «полимеризовался», превратившись в загадочное вещество, которое, по-видимому, не разлагалось при высоких температурах. Это вещество также не реагировало и не растворялось ни в одном из сильно едких химических веществ, которые Планкетт к нему применял, включая кислоты, достаточно сильные, чтобы разъедать кости. Техническое название этого супервещества довольно сложное: политетрафторэтилен, или ПТФЭ. Но вы, вероятно, знаете его под другим названием: тефлон.

По словам Планкетта, «следующий вопрос был: „Что вы собираетесь делать со всем этим?“»

Изначально у учёных из DuPont не было хорошего ответа на этот вопрос, но теперь этот материал повсеместно используется в повседневных предметах. С момента своего открытия 86 лет назад тефлон и его химические потомки, пер- и полифторалкильные вещества, или ПФАС, распространились повсюду. Мы используем их для изготовления антипригарных сковородок и научного оборудования, для водонепроницаемых дождевиков, для жиростойкой упаковки фаст-фуда и даже иногда для скрипящих клавиш пианино. Эти молекулы настолько распространены, что исследование 2015 года обнаружило эти химические вещества в крови 97 процентов американцев. И, как выяснили медицинские исследователи, попадая в наш организм, эти долго сохраняющиеся химические вещества могут наносить вред.

Но ответ на вопрос о том, что делать с тефлоном, и о его последующем пути из лаборатории DuPont в наши кухни, шкафы и тела, не появился в одночасье. История восхождения тефлона начинается с разработки холодильной техники в начале 20-го века и проходит через Манхэттенский проект по изменению мира с помощью атомного оружия, прежде чем он попал в бесчисленное множество потребительских товаров, начиная с культовой сковороды с антипригарным покрытием. Однако поначалу казалось, что этот материал никуда не денется, поскольку его производство было дорогостоящим, и у него не было четкого применения.

История происхождения тефлона начинается примерно за десятилетие до его открытия. В конце 1920-х годов холодильная промышленность переживала кризис после череды смертельных аварий, когда опасные газы, используемые в качестве хладагентов, взрывались с драматическим эффектом или просачивались в ничего не подозревающие дома. Заголовки вроде «Газ из льдогенератора убил 15 человек в Чикаго; утечки в холодильных установках в домах названы причиной загадочных смертей» пестрели в New York Times. Проблема заключалась в том, что химические вещества, используемые для отвода тепла изнутри холодильника и его охлаждения, были либо высокотоксичными, либо легковоспламеняющимися, либо и тем, и другим.

В рекламе первых холодильников, использующих диоксид серы в качестве хладагента, их позиционировали как «самопредупреждающие», поскольку сильный запах должен был предупредить пользователей о возможной утечке до того, как она станет слишком опасной. Производители холодильников на основе диоксида углерода хвастались отсутствием запаха и взрывов в своих системах. «Если вы рекламируете свой хладагент как не вызывающий взрывов, — говорит Марк Маклинден, инженер-химик из Национального института стандартов и технологий, — это может указывать на проблемы у некоторых конкурентов». Хотя диоксид углерода был безопаснее, он не был особенно эффективен для бытового применения, поскольку для его работы требуется гораздо более высокое давление, что увеличивает затраты и повышает вероятность утечек.

На фоне негативной прессы и странной рекламы производителям холодильников нужно было что-то менять. В General Motors руководитель исследовательского отдела Чарльз «Босс Кетт» Кеттеринг поговорил с главным инженером Frigidaire, а затем позвонил Томасу Мидгли, который прославился в компании тем, что добавлял свинец в бензин для предотвращения детонации двигателя. «Мы пришли к выводу, — сказал Кеттеринг Мидгли, — что холодильной промышленности нужен новый хладагент, если они когда-либо хотят чего-то добиться».

Кеттерингу был нужен хладагент, который работал бы при разумных температурах и давлениях, был бы недорогим в производстве, не вызывал коррозии обычных материалов, нетоксичен и не был бы легковоспламеняющимся. В поисках этой идеальной молекулы Миджли обратился к верхнему правому углу периодической таблицы. Он знал, что эти элементы, как правило, образуют соединения, способные охлаждать бытовые холодильники до идеальной температуры. Быстро он остановил свой выбор на фторе.

Сам по себе фтор кажется маловероятным кандидатом. Кислотная форма фтора, называемая фтороводородной кислотой, печально известна своей токсичностью. Попав в организм, она может не только разрушать кости, но и агрессивно связываться с кальцием в крови до такой степени, что это может остановить сердце. Но как только фтор связывается с атомом углерода, образуя соединение, он полностью меняет свои свойства.

«Главное в фторе — это то, что связь углерод-фтор является самой прочной связью в химии», — говорит Маклинден. «Поэтому, когда вы вводите фтор в молекулу, его трудно отделить, и это делает её, по сути, стабильной. Стабильность, нереактивность — всё это в сочетании с низкой токсичностью».

В течение трёх дней после получения задания от Кеттеринга Миджли нашёл потенциально перспективное вещество, которое широко использовалось до 1980-х годов: хлорфторуглерод, или ХФУ, который мы сейчас называем фреоном. Учитывая воздействие свинца в автомобильном бензине на здоровье человека и окружающую среду, а также истощение озонового слоя из-за ХФУ, Маклинден говорит, что Миджли был «королём непредвиденных последствий».

Но пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем ученые обнаружат опасность ХФУ для окружающей среды. Тем временем, по сравнению с токсичными и легковоспламеняющимися альтернативами, доступными в 1930-х годах, это вещество казалось чудодейственным хладагентом. Во время демонстрации своего недавно открытого фреона Миджли вдохнул полную глотку газа и выдохнул, погасив свечу, чтобы наглядно доказать его нетоксичность и легковоспламеняемость.

Разработка, казалось бы, безопасного хладагента привела к взрывному росту его применения в быту — холодильники, автомобильные кондиционеры, тепловые насосы и многое другое. Но, согласно интервью Планкетта, записанному в 1986 году, «в начале 1938 года возник кризис».

Компания Frigidaire, в то время дочернее предприятие General Motors, сохраняла за собой право собственности на фреон, и другие производители холодильников тоже хотели поучаствовать в этом деле. Они обратились к DuPont с просьбой создать новые хладагенты, обладающие преимуществами фреона, — и эта задача досталась команде Планкетта. Вскоре они, как и Миджли, начали искать соединения на основе фтора. Эти поиски привели к злополучному, дефектному цилиндру из тетрафторэтилена — молекулы газа, состоящей из двух атомов углерода, окруженных четырьмя атомами фтора. Полимеризация газа соединяла эти небольшие молекулы в длинную цепочку, и они затвердевали, образуя фторполимер ПТФЭ.

Вещество, которое позже получило название тефлон, сначала было отложено, и ученые вернулись к поискам новых хладагентов. В то время исследователи не могли представить себе прибыльного применения такого дорогостоящего в производстве вещества. Все изменилось всего несколько лет спустя с вступлением Соединенных Штатов во Вторую мировую войну и началом реализации Манхэттенского проекта по созданию атомного оружия. Как помнят зрители нашумевшего фильма 2023 года «Оппенхаймер», одним из важнейших этапов создания первой в мире атомной бомбы было получение достаточного количества урана и плутония, что апокрифически показано в сценах, где ученые в Лос-Аламосе медленно и эффектно наполняют стеклянную чашу шариками, символизируя прогресс в направлении взрывоопасности.

По словам Гордона Фи, инженера-ядерщика и бывшего президента компании Lockheed Martin Energy Systems, ученые и инженеры правительственного предприятия в Ок-Ридже, штат Теннесси, взялись за задачу очистки урана. Они остановились на процессе, называемом газовой диффузией, при котором газ, называемый гексафторидом урана, пропускался через километры труб, содержащих тысячи фильтров, которые отделяли взрывоопасный изотоп от остального вещества.

Проблема для ученых в Ок-Ридже и генерала Лесли Гроувса, руководившего Манхэттенским проектом, заключалась в том, что гексафторид урана обладает высокой коррозионной активностью. Газ разъедал прокладки и уплотнения клапанов, которые помогали удерживать и регулировать поток этого редкого и крайне важного вещества.

Что именно произошло дальше, до конца не ясно, учитывая секретность и разграниченность, присущие Манхэттенскому проекту, а также продолжающуюся засекреченность документов. Но мы знаем, говорит Фи, что многие сотрудники DuPont работали в Ок-Ридже, в основном на отдельном заводе, используемом для переработки плутония.

Сотрудники DuPont знали, что Гроувсу нужно герметизировать километры трубопроводов, говорит Фи, который начал работать на заводе газовой диффузии в Ок-Ридже в 1956 году. «Они сказали: „У нас есть уникальное семейство материалов, мы думаем, что из них получится хорошая коррозионностойкая прокладка“».

С момента своего открытия в 1938 году и до этого момента, вероятно, в 1942 году, политетрафторэтилен (он не был официально зарегистрирован как тефлон до окончания войны) оставался в компании DuPont любопытным лабораторным продуктом.

Практически неограниченные ресурсы Манхэттенского проекта позволили компании DuPont впервые использовать новый материал в промышленных целях. Ученые и инженеры в Ок-Ридже, такие как Фи, использовали ПТФЭ для защиты труб предприятия от коррозионных газов до тех пор, пока завод не был закрыт несколько десятилетий спустя. «Насколько мне известно, замена этому материалу никогда не рассматривалась, — говорит Фи, — поэтому можно сказать, что он использовался в рамках Манхэттенского проекта до 1985 года».

По словам Планкетта, эти ресурсы и спрос на ПТФЭ во время войны дали компании DuPont возможность продолжить изучение нового материала и найти для него другие применения. Первоначально эти применения были в основном в промышленности и военной сфере.

Например, Планкетт вспомнил о производственном предприятии, которому нужно было перекачивать азотную кислоту высокой концентрации. По его словам, раз в неделю насос выходил из строя и его приходилось ремонтировать. Однако, когда рабочие попробовали использовать тефлон в насосе, он так хорошо проработал более шести месяцев, что они решили все равно разобрать его, чтобы посмотреть, как он себя покажет. Внутри, как они обнаружили, все осталось в первозданном виде.

Но тефлон тогда был далек от того, чтобы стать широко известным, как сегодня. До тех пор, пока изобретатели не придумали, как использовать его для изготовления посуды с антипригарным покрытием. В 1952 году Планкетт, в рамках одного из первых публичных признаний своего открытия, получил медаль Джона Скотта. Эта награда, присуждаемая ученым и изобретателям городом Филадельфия за улучшение «комфорта, благополучия и счастья человечества», также была вручена братьям Райт, Томасу Эдисону, Марии Кюри и Николе Тесле. Но на церемонии награждения Планкетта каждый ушел домой со специальным подарком.

«Это был первый случай в стране, когда кто-либо увидел кухонную утварь с тефлоновым покрытием», — сказал Планкетт в устной истории 1986 года. — «Они делали формы для кексов с тефлоновым покрытием и раздавали их в качестве подарков… Некоторые из этих форм для кексов сохранились до наших дней. Одна из них есть у меня дома».

Несколько лет спустя, в начале 1960-х годов, такие приспособления стали доступны обычным поварам. Изобретательница Марион Троццоло в 1957 году придумала первую сковороду с тефлоновым покрытием, получившую название Happy Pan, и начала продавать её в 1961 году. К 25-летию сковороды, в 1986 году, Троццоло подарила оригинальную сковороду Happy Pan Национальному музею американской истории Смитсоновского института.

С тех пор тефлон распространился повсюду. В 1969 году Уилберт и Боб Гор использовали разновидность ПТФЭ для создания водонепроницаемой, дышащей ткани, которую они назвали Gore-Tex, и которая теперь повсеместно используется в дождевиках и походных ботинках. Изобретатели также применяют тефлон в зубной нити, сантехнической герметизирующей ленте и медицинских устройствах, таких как искусственные клапаны сердца, и во многих других областях.

Разработка и широкое использование тефлона также стимулировали создание нового класса химических веществ, называемых пер- и полифторалкильными веществами, или ПФАС. В них используются те же уникальные свойства, которые сделали тефлон таким удобным для многих целей. В своей простейшей форме молекулы ПФАС имеют цепочку атомов углерода, окруженных очень прочными связями с фтором. Эта часть молекулы гидрофобна и не смешивается с водой. Многие ПФАС также имеют то, что химики называют «головной группой», присоединенной к этой цепочке. Этот пучок атомов гидрофилен, поэтому одна сторона молекулы склонна к контакту с водой. Эти химические вещества, как правило, очень прочны и отталкивают воду, жир и тепло.

Однако именно эти свойства делают ПФАС потенциально опасными. Поскольку связь углерод-фтор очень прочная, ПФАС нелегко разлагаются в естественных условиях, что и привело к их прозвищу «вечные химикаты». Их двойственная природа — способность как притягивать, так и отталкивать воду — делает их очень подвижными во влажной среде, поскольку молекула легко может быть подхвачена движущейся водой и так же легко осаждаться на поверхностях, через которые проходит вода.

Широкое использование ПФАС означает, что они повсюду, и, попав в наш организм, эти химические вещества могут вызывать проблемы. По данным Агентства по охране окружающей среды, ПФАС могут снижать фертильность; нарушать развитие детей; повышать риск рака предстательной железы, почек и яичек; вмешиваться в работу иммунной системы; и снижать эффективность вакцин.

В ответ на это Европейский союз и некоторые штаты США принимают меры по запрету или ограничению продажи и использования ПФАС, а пострадавшие сообщества прибегают к судебным искам для возмещения ущерба. Однако зачастую эти правила касаются лишь нескольких из более чем 6000 различных соединений ПФАС и оставляют отрасли большую свободу действий.

Не всё из этого обязательно верно для самого тефлона и других пластмасс, изготовленных из фторполимеров. Поскольку цепочка атомов углерода и фтора в молекулярной структуре ПТФЭ очень длинная, нашему организму не так легко её усваивать. Производители утверждают, что это означает, что новые и предлагаемые правила для ПФАС с более короткими цепочками не должны включать такие полимеры, как тефлон, который, по их мнению, является «полимером, вызывающим меньшую обеспокоенность».

Однако Райнер Ломанн, химик-эколог из Университета Род-Айленда, говорит, что «если вы действительно посмотрите на весь жизненный цикл от производства до утилизации, то увидите совершенно другую картину».

Это связано с тем, что в процессе производства фторполимеров, таких как тефлон, компаниям часто приходится использовать другие, короткоцепочечные ПФАС. Ученые и представители органов здравоохранения также узнают больше о том, как пластмассы, включая фторполимеры, распадаются на микрочастицы и взаимодействуют с человеческим организмом. Длинноцепочечные ПФАС могут распадаться на более короткоцепочечные молекулы в течение длительного времени в таких средах, как свалки, куда в конечном итоге попадает множество потребительских товаров с тефлоновым покрытием. Несмотря на эти растущие опасения, «всегда есть коммерческий интерес в сохранении статус-кво», — говорит Ломанн.

В настоящее время такой статус-кво означает ежегодные мировые продажи тефлона в размере около 3 миллиардов долларов. Прогнозируется, что к 2027 году эта сумма превысит 4 миллиарда долларов.

Рой Планкетт умер в 1994 году, до того, как опасения по поводу токсичности ПФАС получили широкое распространение и стали частью ежедневных новостных репортажей, как это происходит сейчас. В 1986 году он сказал, что «открытие ПТФЭ описывалось по-разному: как пример счастливой случайности, удачного стечения обстоятельств или гениальной вспышки». Он считал это открытие, сделанное 48 лет назад, вершиной своей карьеры. «Я горжусь своим участием в этой разработке, — сказал он, — горжусь компанией, с которой работал, горжусь тем, что произошло, и больше всего горжусь пользой, которую это оригинальное изобретение принесло человечеству».

Ломанн считает, что дух изобретательности и открытий должен возродиться сейчас, когда обнаруживается все больше опасностей, связанных с ПФАС, и начинают вводиться правила, запрещающие их использование.

Отрасли, использующие фторсодержащие химические вещества, уже сталкивались с подобной проблемой. В 1980-х и 1990-х годах стало ясно, что химический предшественник тефлона, хлорфторуглеродные хладагенты, представляют серьезную угрозу для окружающей среды из-за ущерба, который они наносят озоновому слою. Ряд международных договоров, включая Монреальский протокол, успешно запретил эти вещества во всем мире. Проблема озоновой дыры больше не является актуальной.

Однако у этих усилий было одно важное преимущество перед нынешним прогрессом в исключении ПФАС из многих областей применения. «Ключевым моментом Монреальского протокола, — говорит Маклинден, — было наличие альтернатив, которые не ставили бы под угрозу безопасность или эффективность».

В настоящее время не существует чудодейственных заменителей для бесчисленных и невероятно полезных применений ПФАС. Но, как обнаружил Планкетт в 1938 году, это не означает, что ученые должны прекратить попытки. На самом деле, учитывая недавние сообщения о том, что такие компании, как 3M, игнорировали или скрывали предупреждения ученых об опасностях ПФАС, Ломанн считает, что, возможно, ученым следует предоставить место во главе стола.

«Научная часть сработала. Но, конечно, на более высоком уровне в этих компаниях [ученых] оттеснили на второй план, изолировали и заставили замолчать», — говорит он. «Возможно, это никогда бы не достигло таких масштабов, если бы ученые были у власти».