Teflon został odkryty przypadkiem w zakładzie chemicznym firmy Dupont w USA w 1938 roku i opatentowany w 1956. Niestety przy okazji produkcji cudownego materiału zatrute zostały okoliczne wody, co skończyło się bezprecedensowym procesem sądowym. Jednak biznes kręci się dalej, a ekolodzy biją na alarm. Tak zwane „wieczne chemikalia”, w tym fluoropolimery, do których należy teflon (właściwie politetrafluoroetylen, PTFE), można znaleźć już nawet w lodach Arktyki i narządach żyjących tam zwierząt.
Środowisko naturalne cierpi, a ludzie razem z nim. Chemicy szukają więc zamienników, które nie pogorszą naszego komfortu życia ani nie cofną przemysłu, ale nie będą po wsze czasy zatruwać wszystkiego, co żyje. Badacze z Uniwersytetu w Toronto zaprezentowali właśnie potencjalnego kandydata na następcę teflonu.
Czytaj też: Teflonowa patelnia może zatruwać nas mikroplastikiem. Wystarczy jedna rysa
Teflon musi odejść, ale co w zamian?
Naukowcy opracowali innowacyjną powłokę nieprzywierającą, która może odpowiedzieć na potrzeby środowiska i współczesnej cywilizacji. Substancja ta wykorzystuje dobrze znany silikon, a właściwie polidimetylosiloksan (PDMS) – elastyczny polimer silikonowy o wysokiej przejrzystości, obojętności chemicznej i odporności termicznej, przepuszczający gazy, ale odpychający wodę (jest hydrofobowy). Sam PDMS jest biokompatybilny, bywa stosowany nawet w implantach. Nie zapewnia jednak wystarczającego „poślizgu”, dzięki któremu inne substancje chemiczne mogłyby nie przywierać do pokrytej nim powierzchni.
Naukowcy skorzystali z wcześniejszych doświadczeń i połączyli krótkie łańcuchy PDMS, tworzące podłoże o strukturze przypominającej szczoteczkę. Do każdego wystającego „włosa” (czyli łańcucha złożonego z atomów krzemu i tlenu ułożonych naprzemiennie) zamiast grup metylowych dołączyli około siedmiu grup trifluorometylowych (atom węgla i trzy atomy fluoru, -CF₃). Grupy trifluorometylowe „odstają” na boki łańcuchów i tworzą strukturę podobną do lotek, przy tym wiązanie między węglem i fluorem jest nie do rozbicia i „odpycha” inne substancje chemiczne.
Tym sposobem szczotka zamienia się w pęk ciasno ułożonych strzał, skierowanych grotem do dołu – tak przynajmniej kojarzy się autorom badania. Jeden z nich, Samuel Au, komentuje:
Gdybyś był w stanie skurczyć się do skali nanometrowej, wyglądałoby to trochę jak pióra, które widzisz z tyłu strzały, gdzie jest nacięcie na cięciwę. To się nazywa „fletching” (lotki, red.), więc proces przypomina dodanie lotek w nanoskali.
Czytaj też: Czysta energia bez brudnych kompromisów. Ultradźwięki ujarzmiają “wieczne chemikalia”
Wynalazcy sprawdzili odporność swojej powłoki nie tylko na wodę, ale także na cztery organiczne związki chemiczne o znacznie niższym ciśnieniu powierzchniowym, które jeszcze łatwiej wsiąkają w tkaniny i osiadają na metalu: heksadekan, tetradekan, dodekan, dekan i oktan. Na co dzień można je spotkać w laboratoriach jako rozpuszczalniki i rozcieńczalniki, co dużo mówi o ich zdolności „wsiąkania” w różne materiały. Towarzyszył im kaydol – wysoko oczyszczony olej mineralny, stosowany między innymi jako baza maści, balsamów i kremów, znany z tworzenia cienkiej warstwy na skórze.
Skuteczny jak teflon, znacznie bezpieczniejszy
To rozwiązanie pojawiło się w kontekście narastających obaw o zagrożenia, jakie niosą za sobą PFAS (substancje per- i polifluoroalkilowe), zwane „wiecznymi chemikaliami”. Stanowią one podstawę wielu powłok, w tym popularnego teflonu na patelniach, a także chroniących naszą odzież, buty, elementy budowlane, maszyny i wiele innych. Długołańcuchowe PFAS mają mnóstwo wiązań między węglem i fluorem, które są praktycznie niezniszczalne. Przez to nie ulegają rozkładowi z czasem, kumulują się w organizmach żywych i wiąże się je z poważnymi schorzeniami – od nowotworów wątroby po zaburzenia płodności.
Kluczową przewagą nowego materiału jest użycie najkrótszych możliwych cząsteczek fluorowanych (tylko jeden atom węgla), które – w przeciwieństwie do długich łańcuchów PFAS – nie akumulują się w naszych organach. To znacznie zmniejsza ryzyko zdrowotne organizmów żywych.
Czytaj też: Deszczówka nie nadaje się do picia – nawet z Antarktydy. Winę ponosi za to człowiek
Testy potwierdziły, że powłoka dorównuje tradycyjnym odpowiednikom, osiągając maksymalny wynik w skali odporności Amerykańskiego Stowarzyszenia Chemików i Kolorystów Tekstyliów. Skutecznie odpycha zarówno wodę, jak i oleje, co stwarza realną perspektywę zastąpienia teflonu w gastronomii. Ponadto powłoka sprawdza się na różnorodnych podłożach: nylonie, poliestrze, aluminium i stali nierdzewnej. Potencjalne zastosowania obejmują więc znacznie więcej niż sprzęt kuchenny. Mogą to być także:
- tekstylia: odzież odporna na zabrudzenia i ochronna, specjalistyczne namioty itp.,
- przemysł: rury i zbiorniki wymagające gładkich powierzchni, instalacje chemiczne,
- elektronika: zabezpieczenia przed wilgocią urządzeń konsumenckich i specjalistycznych,
- budownictwo: powłoki hydrofobowe na elewacjach i elementach szczególnie wrażliwych wewnątrz.
Naukowcy otwarcie przyznają, że idealnym rozwiązaniem pozostaje materiał całkowicie pozbawiony niezniszczalnych wiązań węglowo-fluorowych. Mimo to, obecne osiągnięcie to wyraźny krok naprzód. Choć to obiecujące, warto pamiętać też, że przemysłowa skala wdrożenia zawsze stanowi osobne wyzwanie. Trzymamy kciuki za dalszy rozwój i oczywiście tanią, skalowalną produkcję masową.
Pełne wyniki badań dostępne są w czasopiśmie „Nature Communications”.