Тефлон, нафион и гликокалис: ученые изучают свойства воды

Так, в опубликованной в швейцарском журнале «Полимеры» статье описаны результаты работы международной группы ученых, изучавшей эффект структурирования на границе раздела воды и органического полимера нафион, химического производного всемирно известного тефлона.

Хотя о вкусах и не спорят, но большинство хозяек предпочитает готовить на сковородках с тефлоновым покрытием. Политетрафторэтилен (а именно так называется данное вещество, «Тефлон» — просто зарегистрированный товарный знак) является уникальным полимером, который обладает большим количеством уникальных свойств. Вещество бьет рекорды по снижению трения и химической устойчивости, не обугливается, не впитывает жидкости, не гниет, не плесневеет, не разрушается под ультрафиолетом. Появление тефлона около 80 лет назад отразилось не только на рынке кухонной утвари, но и повлияло на развитие технологий в различных отраслях, в том числе в химической, пищевой, электротехнической промышленности, а также в медицине и в военной сфере. 

В течение десятилетий компания Дюпон создавала новые химические производные тефлона, одному из которых — нафиону (научное название сульфированный тетрафторэтилен) и посвящена совместная статья австралийских и российских ученых. Помимо уже указанных свойств тефлона, нафион способен пропускать через свои поры воду и протоны, при этом задерживая более крупные молекулы. Данный материал часто используется в топливных элементах.

Однако данный полимер обладает еще одним примечательным свойством. Рядом с пленками нафиона в водных растворах образуется стабильная структурированная зона толщиной до 0,3 мм. В эту прослойку не могут проникать другие частицы, например, красители, в этой зоне наблюдаются аномальные свойства вязкости. Долгое время считалось, что структурирование воды обеспечивалось сильно заряженными химическими группами с серой в составе полимера. Но в последнее время от этой идеи отказались, обнаружив другое объяснение аномальных свойств приповерхностной зоны воды.

В статье рассказывается, что под действием воды молекулы нафиона частично распутываются, набухают и принимают форму длинных нитей, которые пронизывают приповерхностную область жидкости. При этом заряженные группы оказываются на поверхности нитей, а не смачиваемые группы — внутри, обеспечивая «остов» наноструктуры. Не имея возможности регистрировать указанные процессы визуально, ученые доказали образование наноструктур посредством спектральных методов анализа. Изучаемая структура из воды и нитей полимера в отличие от обычной неструктурированной воды имеет значительные отличия в поглощении света.

Рассказывая о «распутанном» нафионе, в качестве аналогии авторы статьи приводят пример другой структуры, гликокаликса, покрывающей живые клетки. Гликокаликс также состоит из длинных нитей (в данном случае углеводов), которые могут простираться на сотни нанометров от клеток, обеспечивая первую зону защиты от инородных частиц. Вокруг многих наших клеток стоит запутанная сеть «капканов» и «колючей проволоки», которая сильно затрудняет доступ к клеточной мембране для бактерий и вирусов. Существуют предположения, что сложность в проникновении частиц через гликокаликс частично может объясняться аномальной вязкостью воды внутри подобной сети органических полимеров.

Ученые сообщают, что у механизма разворачивания молекул нафиона есть еще одно необычное свойство: эффект наблюдается только в «обычной» воде, содержащей не только молекулы H₂O, но и молекулы дейтериевой воды D₂O (дейтерий — более тяжелый стабильный изотоп водорода). При погружении пленки нафиона в воду, из которой специально были удалены молекулы D₂O, никакой «мохнатой» приповерхностной зоны не образовывалось.

Интересно, что подобные нити образуются только у нафиона, волноваться за «мохнатость» тефлоновых сковород не стоит. Неизвестно, сколько еще необычных взаимодействий молекул и наноструктур предстоит обнаружить ученым в процессе изучения самой распространенной жидкости на Земле. А пока достижения в области физики водных растворов помогают находить все новые способы воздействия на сложные структуры, в том числе и на живые.