Химики получили сверхвязкий энергоемкий гель, который можно использовать в составе прозрачных клеев и оптических пленок для электронных устройств, а также в качестве наноразмерных матриц, фиксирующих частицы взрывчатых материалов. Основой геля стали нитраты целлюлозы, синтезированной бактериями. От популярной нитроцеллюлозы растительного происхождения ее отличает отсутствие примесей и способность сохранять жесткую молекулярную структуру исходного вещества, что и позволило получить прозрачный гель с уникальной вязкостью.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда РНФ, опубликованы в журнале Polymers.

Нитроцеллюлоза, или нитрат целлюлозы, является энергетическим полимером — веществом, которое за счет содержащегося в нем азота выделяет большой объем энергии при сгорании. Такие материалы используют в составе ракетного топлива и бездымных снарядов для направленного взрыва при сносе ветхих зданий в плотной городской застройке и при добыче полезных ископаемых, например алмазов, в глубинных шахтах. Кроме того, нитроцеллюлозу активно применяют при производстве лакокрасочных материалов, пластмасс, мембран и многого другого.

Традиционно сырье для нитроцеллюлозы получают из растений, однако на молекулярном уровне такая целлюлоза представляет собой хаотично переплетенные крупные (толщиной от 5 мкм) волокна разной длины и формы. К тому же большинство растительных источников включают примеси, содержание которых может достигать 50–60%. Поэтому сырье требует дополнительной обработки, наносящей вред окружающей среде. Единственную растительную целлюлозу с низким содержанием примесей производят из дорогого и дефицитного хлопка.

В то же время существует альтернативный источник химически чистой целлюлозы — ее синтезируют некоторые бактерии (ацетобактерии, сарцины и другие). Кроме чистоты бактериальную целлюлозу также отличают высокие влагоудерживающие свойства, диаметр волокон 20–100 нм, упорядоченная сетчатая структура и высокая степень полимеризации — способность вещества образовывать длинные прочные цепочки макромолекул. Степень полимеризации микробной целлюлозы достигает 14000, тогда как растительной, за исключением хлопковой, не превышает 2000. Благодаря этим свойствам бактериальную целлюлозу можно применять в областях, для которых растительная не подходит, например, для синтеза нитроцеллюлозы и создания на ее основе наноразмерных энергетических полимеров.

Химики из Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (Бийск) нашли способ получения нитратов бактериальной целлюлозы, которые за счет высокой степени полимеризации в процессе синтеза сохраняют жесткую молекулярную структуру. Исходное вещество, количество примесей в котором составляет лишь 0,5%, является продуктом жизнедеятельности штамма бактерий Medusomyces gisevii Sa-12. Ученые нитровали бактериальную целлюлозу двумя способами. При традиционном, который широко используется в промышленном производстве растительной нитроцеллюлозы, сырье обрабатывали смесью серной и азотной кислот. В другом, экспериментальном, опыте реакция с концентрированной азотной кислотой проходила в присутствии хлористого метилена, который облегчает проникновение азотных соединений в целлюлозу.

Схема первого этапа производства нитратов наноструктурированной бактериальной целлюлозы. Источник: Юлия Гисматулина

Оба полученных образца после нитрования уплотнились и сохранили сетчатую структуру исходного вещества. При добавлении ацетона — универсального растворителя нитроцеллюлозы — образовались сверхвязкие прозрачные органические гели. Вязкость образцов микробного происхождения составила 1086 мПа·с и выше, тогда как этот показатель промышленной растительной целлюлозы обычно не превышает 72 мПа·с. При переворачивании вверх дном химического стакана гель из нитроцеллюлозы, полученной экспериментальным методом, оставался неподвижным. Ученые предполагают, что волокна вещества выстроили плотную и жесткую трехмерную сетку, пустоты которой заполнились ацетоном. Подобное свойство у нитратов целлюлозы обнаружено впервые, поскольку растительные образцы при добавлении ацетона формируют легкотекучий раствор.

Свойства полученной нитроцеллюлозы позволяют применять ее в перспективных наукоемких областях, например, для изготовления прозрачных химически чистых синтетических клеев и оптических пленок для электронных устройств или при создании новых типов энергетических полимеров. Такой полимер может быть связующим компонентом в составе топлива и взрывчатых веществ благодаря его сверхтонкой волокнистой и более стабильной, чем у растительной нитроцеллюлозы, структуре.

«На следующем этапе проекта мы планируем получить смесевые образцы нитратов целлюлозы. Для этого мы в разных пропорциях смешаем сырье из двух разных источников: растительное, из плодовых оболочек овса, и бактериальное. Волокна растительной целлюлозы значительно толще, а при смешивании с бактериальной она, возможно, синергирует с ней. Это обеспечит сетчатую структуру смесевых нитратов целлюлозы, и такие материалы могут показать интересные свойства», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юлия Гисматулина, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории биоконверсии ИПХЭТ СО РАН.