Вчені створили безпечне антипригарне покриття без токсинів

У лабораторії Торонто дослідники переосмислили ковзку поверхню, яка змінила кухні та промисловість. У новому дослідженні інженери з Університету Торонто представили антипригарне покриття, що відштовхує олію та воду так само ефективно, як тефлон, але без використання токсичного класу хімікатів, які зробили тефлон сумнозвісним.

Ця інновація, детально описана в журналі Nature Communications, може змінити наше розуміння ковзких поверхонь від сковорідок до тканин з глибокими наслідками для здоров'я людини та довкілля.

Протягом десятиліть золотим стандартом антипригарних властивостей були PFAS — пер- та поліфторалкільні речовини. Ці синтетичні молекули використовувалися у всьому від дощовиків до медичних трубок. Їхній секрет полягає в ланцюгах атомів вуглецю та фтору, які чинять опір прилипанню майже до будь-чого, навіть до жиру. Але є підводний камінь.

Довголанцюгові PFAS, такі як PFOA, що використовувалися в старих продуктах тефлону, пов'язані з раком, вродженими дефектами та іншими проблемами здоров'я. Вони також є «вічними хімікатами», що означає, що вони не розкладаються і залишаються довгий час. Хоча короткі ланцюги PFAS вважаються дещо безпечнішими, вони все ще затримуються в довкіллі, а пошук альтернатив досі не приносив результатів.

Прорив відбувся завдяки зверненню до полідиметилсилоксану або PDMS — силіконового полімеру, який вже використовується у всьому від контактних лінз до біомедичних імплантатів. Він гнучкий, біосумісний та термостійкий. Але сам по собі PDMS погано відштовхує олію.

Щоб вирішити це питання, провідний автор Семюел Ау та колеги винайшли метод, який вони називають наномасштабним оперенням — названий на честь пір'яного хвоста стріли, що стабілізує її політ. У їхній хімічній версії вони «оперили» кінці молекулярних ланцюгів PDMS крихітними ковзкими групами, що складаються з одного атома вуглецю, з'єднаного з трьома фторами.

«Якби ви змогли зменшитися до нанометрового масштабу, це виглядало б трохи як пір'я, які ви бачите навколо задньої частини стріли, де вона зачіпляється за тятиву лука», — сказав Ау. «Це називається оперенням, тож це наномасштабне оперення».

Ці щетинисті, рідиноподібні структури дозволяють групам мігрувати до найзовнішньої поверхні, створюючи шкіру, що імітує відштовхувальні властивості тефлону.

І що дивовижно, це працює. Покриті матеріали отримали оцінку «6» за шкалою відштовхування олії Американської асоціації текстильних хіміків та колористів. Ця оцінка відповідає існуючим покриттям на основі PFAS. Але з частковим вмістом фтору.

Група не просто мала — це найкоротша можлива молекула PFAS. Це дуже важливо.

«Те, що ми бачили в літературі і навіть у регуляціях, це те, що найдовші ланцюги PFAS забороняються першими, а коротші вважаються набагато менш шкідливими», — сказав Кевін Головін, старший автор дослідження та керівник лабораторії стійких відштовхувальних інженерних передових матеріалів в інженерному факультеті Університету Торонто.

Дослідження показують, що не накопичується в організмі, як її довші родичі. Вчені вважають, що покриття в основному розкладається на трифтороцтову кислоту, яку організм легко виводить і яка становить набагато нижчу токсичність для людей та водного життя.

Навіть при безперервному обприскуванні олією покриття PDMS скидають краплі, як спина качки. Вони змогли підтримувати свою суху поверхню набагато краще, ніж традиційні силіконові покриття.

Крім лабораторних тестів, команда покрила нейлон, поліестер, алюміній та нержавіючу сталь новим матеріалом. Він добре працював у всіх випадках — навіть на текстурованих або пористих поверхнях, таких як тканина та дротяна сітка, які часто перемагають традиційні антипригарні покриття.

Вони також перевірили межі покриття: нагрівали його до 200 градусів Цельсія, обстрілювали водяними струменями, замочували в кислотних та основних розчинах. Воно витримало.

«Святим Граалем цієї галузі була б речовина, яка перевершує тефлон, але взагалі без PFAS», — сказав Головін. «Ми ще не зовсім там, але це важливий крок у правильному напрямку».

Незважаючи на обнадійливі результати, деякі вчені застерігають, що навіть короткі ланцюги PFAS, включаючи, не є повністю нешкідливими. Трифтороцтова кислота, ймовірний продукт розкладання покриття, є стійкою в довкіллі і викликала дебати про її довгостроковий вплив.

Автори стверджують, що залучені кількості мізерні. Загальні потенційні викиди від однієї куртки, покритої їхнім матеріалом, за їхніми оцінками, дорівнювали б трохи більше години витоку холодоагенту з автомобільного кондиціонера.

І все ж, оскільки уряди по всьому світу рухаються до регулювання PFAS як класу, включаючи пропозиції в ЄС заборонити тисячі сполук, ці ультракороткі ланцюгові варіанти можуть бути перехідним рішенням, а не остаточним.

Те, що це дослідження в кінцевому підсумку показує, це те, що може не потрібен довгий ланцюг фторованих атомів для створення високоефективної антипригарної поверхні. Кілька стратегічно розміщених молекул можуть зробити трюк з набагато меншими ризиками.

«Це спростовує десятиліттями старе переконання, що рідинне відштовхування PFAS невід'ємно пов'язане з довжиною ланцюга», — пишуть дослідники у своїй роботі.

Подорож від вічних хімікатів, ймовірно, буде довгою. Але в мерехтінні краплі, що ковзає з наномасштабної щітки, ми можемо бачити, як формується майбутнє.