Наверняка у вас на кухне есть та самая «идеальная» сковорода. Та, на которой яичница соскальзывает в тарелку сама, а сыр не превращается в угольный монолит. Скорее всего, её волшебные свойства — заслуга тефлона или его аналогов. Но у этой кухонной магии есть тёмная сторона, о которой говорят всё громче: «вечные химикаты». И вот, кажется, учёные из Университета Торонто нашли изящный способ разорвать этот порочный круг.
Дилемма идеального покрытия: польза и вред из одного источника
Чтобы понять суть прорыва, нужно сперва разобраться, в чём вообще проблема. Тефлон — это торговое название политетрафторэтилена (ПТФЭ), одного из представителей огромного семейства пер- и полифторалкильных веществ, или ПФАС (PFAS). Их уникальность и одновременно главная опасность кроется в химической структуре.
Яичница на тефлоновой сковороде
Автор: FreepikИсточник: www.freepik.com
Представьте себе молекулу ПФАС как прочную цепь из атомов углерода, где каждый атом, словно рыцарь в доспехах, защищён атомами фтора. Связь углерод-фтор — одна из самых прочных в органической химии. Она настолько стабильна, что ей не страшны ни высокая температура, ни агрессивные кислоты, ни жир. Именно эта инертность заставляет еду «отскакивать» от поверхности сковороды.
Но эта же несокрушимость делает ПФАС практически бессмертными в природе. Они не разлагаются десятилетиями, накапливаются в почве, воде, а затем — в живых организмах, включая человека. Исследования всё чаще связывают высокие концентрации этих «вечных химикатов» с серьёзными рисками для здоровья. Получается парадокс: то, что делает покрытие идеальным, делает его и опасным.
a Схематическая иллюстрация процесса изготовления щеток из полидиметилсилоксана (PDMS) с «оперением» из CF₃. b Зависимость натекающих краевых углов смачивания θ_adv от поверхностного натяжения σ_L для нескольких масел с низким поверхностным натяжением на щетках из PDMS с «оперением» из CF₃, щетках из PDMS с метильными концевыми группами и на самособирающемся монослое (SAM) «оперяющего» агента CF₃. Здесь N = 5, данные представлены как среднее значение +- 1 стандартное отклонение. c Обзорные спектры рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) для щеток из PDMS и щеток из PDMS с «оперением» из CF₃. d Топография поверхности щеток из PDMS и щеток из PDMS с «оперением» из CF₃, исследованная с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM), с указанием среднеквадратичной шероховатости (S_rms). Цитирование: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al. Nanoscale fletching of liquid-like polydimethylsiloxane with single perfluorocarbons enables sustainable oil-repellency. Nat Commun 16, 6789 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62119-9
Автор: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al.Источник: www.nature.com
В поисках замены: почему силикон не справлялся?
Научное сообщество давно ищет альтернативу. Один из главных кандидатов — полидиметилсилоксан (ПДМС), более известный нам как силикон. Он безопасен, биосовместим (из него делают даже медицинские имплантаты) и прекрасно отталкивает воду. Но вот с жиром и маслом у него всегда были проблемы. На силиконовой поверхности капля оливкового масла растекается, сводя на нет все антипригарные мечты.
Казалось, учёные зашли в тупик. Либо ты используешь эффективные, но потенциально вредные ПФАС, либо безопасный, но не дотягивающий по характеристикам силикон. Нужен был какой-то нестандартный ход.
(a) Схематическая иллюстрация эксперимента по соскальзыванию капли. (b) Покадровые изображения соскальзывания капли тетрадекана объёмом 10 мкл со щёток из PDMS с «оперением» из CF₃ и с метильными концевыми группами при угле наклона 10°. Масштабная линейка: 1 мм. (c) Натекающие и оттекающие краевые углы смачивания для щеток из PDMS с «оперением» из CF₃ и с метильными концевыми группами в зависимости от поверхностного натяжения для тетрадекана, додекана, декана, октана и гептана. Гистерезис краевого угла смачивания указан рядом с каждой парой значений натекающего/оттекающего краевых углов. Здесь N = 5, данные представлены как среднее значение +- 1 стандартное отклонение. (d) Динамический коэффициент трения μ для щеток из PDMS с «оперением» из CF₃ и с метильными концевыми группами для различных жидкостей с низким поверхностным натяжением. Для гептана, поскольку щетки из PDMS с метильными концевыми группами были полностью смочены (т.е. θ_adv = θ_rec = 0°), скорость отступления составляла 0 мм/с при всех углах наклона, что приводит к бесконечному значению динамического коэффициента трения (см. также Дополнительный рис. 8). Здесь N = 6, данные представлены как среднее значение +- 1 стандартное отклонение. Цитирование: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al. Nanoscale fletching of liquid-like polydimethylsiloxane with single perfluorocarbons enables sustainable oil-repellency. Nat Commun 16, 6789 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62119-9
Автор: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al.Источник: www.nature.com
Инженерный трюк: оперение для нанострел
И этот ход придумала команда под руководством профессора Кевина Головина. Их технология, остроумно названная «наноразмерным оперением», решает проблему силикона с удивительной элегантностью.
Позвольте объяснить. Учёные не стали создавать совершенно новое вещество. Они взяли за основу силикон (ПДМС), но изменили его архитектуру на наноуровне. Вместо гладкой поверхности они вырастили на материале-основе лес из коротких молекулярных «щетинок» ПДМС. Это уже улучшило его свойства.
А теперь — самое интересное. К кончику каждой такой «щетинки» они прикрепили крошечный «наконечник» — самую короткую из возможных молекул ПФАС. Она состоит всего из одного атома углерода и трёх атомов фтора.
Авторы сравнивают эту конструкцию с оперением стрелы. Как перья на хвосте стабилизируют полёт стрелы, так и эти миниатюрные фторные группы на концах силиконовых щетинок создают высокоэффективный барьер, который отталкивает не только воду, но и масло. Они не покрывают всю поверхность, а работают точечно, как микроскопические зонтики, не давая жиру просочиться и растечься.
a Схематическая иллюстрация теста с распылением жидкости. b Степень покрытия поверхности жидкостью Φ для щеток из PDMS с метильными концевыми группами, щеток из PDMS с «оперением» из CF₃, SAM «оперяющего» агента CF₃ и SAM из C₆ ПФАС. Здесь N = 5, и данные представлены как среднее значение +- 1 стандартное отклонение. c Визуализация капель во время распыления гептана, октана и декана в стационарном состоянии на щетках из PDMS с метильными концевыми группами, щетках из PDMS с «оперением» из CF₃, SAM «оперяющего» агента CF₃ и SAM из C₆ ПФАС. Цитирование: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al. Nanoscale fletching of liquid-like polydimethylsiloxane with single perfluorocarbons enables sustainable oil-repellency. Nat Commun 16, 6789 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62119-9
Автор: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al.Источник: www.nature.com
Шаг вперёд, а не панацея
И это сработало. В тестах новое гибридное покрытие показало такую же эффективность, как и классические покрытия на основе «полноценных» ПФАС. Но есть ли здесь подвох? Ведь фторсодержащие молекулы всё-таки использовались.
Именно в этом и заключается компромисс. Ключевой момент — длина молекулярной цепи. «Вечными» и опасными считаются в первую очередь длинноцепочечные ПФАС, которые легко накапливаются в организме. Молекула, использованная канадскими учёными, — самая короткая из возможных. Она не обладает способностью к биоаккумуляции и считается несравнимо более безопасной.
По сути, исследователи взяли от двух миров лучшее: стабильную и безопасную силиконовую основу и минимально необходимое, точечное «вкрапление» фтора для придания ей жироотталкивающих свойств.
a Изображения соскальзывания капель октана, гексадекана и Kaydol 35 с нейлонового, алюминиевого и полиэфирного листов, покрытых щетками из PDMS с «оперением» из CF₃. Масштабная линейка: 5 мм. b Покадровые изображения удара капли гексадекана объёмом 6 мкл о сетки, покрытые либо щетками из PDMS с «оперением» из CF₃, либо щетками из PDMS с метильными концевыми группами. Капля была выпущена с высоты 1 мм. При ударе капля гексадекана впиталась в сетку, покрытую щетками из PDMS с метильными концевыми группами, что показано синими стрелками. Масштабная линейка: 1 мм. c Натекающие краевые углы смачивания воды, Kaydol 35, гексадекана и тетрадекана на сетках, покрытых щетками из PDMS с «оперением» из CF₃, щетками из PDMS с метильными концевыми группами, SAM «оперяющего» агента CF₃, SAM из C4 ПФАС и SAM из C6 ПФАС. d Статические краевые углы смачивания капель гексадекана объёмом ~6 мкл, измеренные после их удара о покрытые сетки с различной высоты. Капли, впитавшиеся в сетки, выделены желтым цветом. e Статические краевые углы смачивания θ_stat для Kaydol 35, гексадекана, тетрадекана, додекана, декана и октана, измеренные на тканях, покрытых либо щетками из PDMS, либо щетками из PDMS с «оперением» из CF₃. Для большинства измерений погрешность меньше размера представленных символов. Для (c-e) N = 5, данные представлены как среднее значение +- 1 стандартное отклонение. f Различные масла с низким поверхностным натяжением, нанесенные на ткань, покрытую щетками из PDMS с «оперением» из CF₃. Цитирование: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al. Nanoscale fletching of liquid-like polydimethylsiloxane with single perfluorocarbons enables sustainable oil-repellency. Nat Commun 16, 6789 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62119-9
Автор: Au, S., Gauthier, J.R., Kumral, B. et al.Источник: www.nature.com
Что дальше? Погоня за «Святым Граалем»
Конечно, это ещё не финальная точка. Как признают сами учёные, «Святой Грааль» — это материал, который превзойдёт тефлон, не содержа ПФАС вовсе. Но созданное ими гибридное покрытие — это огромный и очень важный шаг в этом направлении.
Эта технология показывает, что будущее не всегда за созданием чего-то радикально нового. Иногда самые изящные открытия лежат в комбинации уже известного — нужно лишь взглянуть на проблему под другим углом и применить немного инженерной смекалки. Возможно, уже через несколько лет наши сковородки, одежда и упаковка для еды станут намного безопаснее благодаря этим крошечным «оперённым нанострелам».
Этот веб-сайт использует файлы cookie или аналогичные технологии для улучшения вашего просмотра и предоставления персонализированных рекомендаций. Продолжая использовать наш веб-сайт, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности
