Коллоидная химия сопровождает человека на протяжении всей его жизни от самого рождения до глубокой старости. О коллоидной химии вряд ли слышала каждая девушка, хотя так или иначе именно женского пола данная дисциплина касается больше всего практически ежедневно. Коллоидная химия не обязательно о красоте, хотя она по-своему красива и уж точно вносит красоту в жизнь многих. Что же это за наука, как она связана со всеми нами и где применяется? На все эти вопросы ответила Мария Калинина, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ИФХЭ РАН на своей лекции в рамках ежегодного научного фестиваля NAUKA 0+.
Коллоидная химия находится на стыке биологических, химических и физических наук, причем физики в ней больше всего. Она существует на грани дисперсных систем.
Как известно, чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы – дисперсные системы и растворы.
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц (наночастиц – они и являются главной единицей измерения в «коллоидном мире») равномерно распределено в объеме другого. В качестве простого примера из жизни можно привести масло, которое распределено в стакане воды и не смешивается с ним, а плавает на поверхности – это одна из дисперсных систем.
Чтобы представить, насколько микроскопичен мир исследований коллоидных химиков, достаточно сказать, что тысячи «нано-единиц» - это живые клетки; миллион «нано» - это прокол пальца иглой; миллиарды «нано» - рост среднестатистического человека. Еще немного цифр – 10 атомов водорода = 1 нм.
Такое свойство как способность распада дисперсной системы на отдельные фазы, когда площадь поверхности возрастает в миллион раз при том же объеме, и почти все вещество находится на поверхности (пример с маслом), приводит нас к задачам коллоидных систем, ответу на вопрос «зачем они нужны?»
Во-первых, это диспергирование – измельчение твердых или жидких веществ, в результате которого образуются суспензии, эмульсии или коллоидные системы. Этот метод широко распространен в фармацевтической практике при создании лекарств. Второе действие коллоидных химиков – синтез: процесс, обратный диспергированию, при котором химические соединения получаются из составных частей путем реакции. И, в-третьих, это стабилизация дисперсий – приведение дисперсий в устойчивое состояние.
Основным инструментом коллоидной химии являются Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – это химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. ПАВ содержатся в любом чистящем средстве, даже в обычном мыле, и именно, благодаря ним средство выполняет свои очищающие функции.
Пробовали отмыть грязь, жир простой водой? Наверняка, не очень хорошо получалось. Вода стекает по поверхности, не смывая жир. Молекулы воды не липнут к молекулам жира и не забирают их с собой. Соответственно, задача в том, чтобы прикрепить молекулы жира к молекулам воды – именно это и делают ПАВы. Молекула ПАВ представляет собой сферу, один полис которой – липофильный (соединяется с жирами), а другой – гидрофильный (вступает в связь с молекулами воды). То есть одним концом частица ПАВ прикрепляется к частице жира, а другим концом – к частицам воды.
Таким образом, коллоидная химия имеет широкое применение в современном мире. В настоящее время коллоидная химия используется во время производства в лакокрасочной индустрии, фармацевтической, при дорожном строительстве, в наномедицине, при изготовлении полимеров и пластмасс. Косметическая, пищевая строительная отрасли целиком завязаны на коллоидах. Также нефтедобыча и переработка во многом зависят от использования методов коллоидной химии.
И, наконец, что помогает нам сохранять молодость? Все средства для волос, для ухода за кожей и полостью рта, лечебная и декоративная косметика при качественном подходе к изготовлению продукции проходят через руки специалистов по коллоидной химии. История косметических коллоидов берет свое начало в середине 19 века, когда Майкл Фарадей изобрел гидрозоли металлов, Карл Нэгели ввел в употребление термины «золь» и «мицелла», а Йёнс Берцелиус произвел опалесценцию коллоидных растворов. Рекламироваться кремы и мази, приготовленные уже коллоидными способами, стали в середине XX века.
С 1965 по 1980 годы в косметике преобладали сложные композиции и природные соединения, очищенные компоненты природного происхождения (жиры, жирные кислоты, полиэфиры, полимеры и др.).
С конца 80-ых годов и по 2000-ые в обиход вошла азиатская косметическая система с использованием первых anti-age средств. В 2000-2010-ых годах появились липсомальные и ламмелярные кремы, способствующие большему увлажнению кожи. Сейчас широко популярная пептидная или «клеточная» косметика, основанная на пептидах – веществах органического происхождения, которые состоят из остатков аминокислот и в небольшом количестве содержатся почти во всех живых клетках наравне с белками.
Многие покупатели задаются вопросом, зачем переплачивать за дорогую косметику, если можно воспользоваться чем-то дешевым. По словам Марии Александровны, это сомнительное действие, поскольку дешевые средства из аптеки по своему составу близки к «достижениям» XIX века из масла и воды, которые сейчас уж точно являются устаревшими и недейственными. К уходу за собой и своей кожей следует подходить ответственно, и лучше взять проверенное средство, которое содержит большое количество ингредиентов, прошло лабораторное тестирование, несколько режимов гомогенизации и соответствует антисептическим условиям, а не брать первое попавшееся средство по принципу «лишь бы подешевле».
Индустрия коллоидов будущего еще больше расширяет свой спектр возможностей и открытий: коллоидная химия уже сейчас и в дальнейшем будет применяться для создания сенсорных и световых панелей, новых материалов для легкой промышленности, защитных и антибактериальных покрытий. Чистая энергетика и транспорт, экологически безопасные ПАВ также будут зависеть от этой науки. Ну и конечно эффективная и безопасная косметика, безопасные и вкусные пищевые продукты, нанофармакология и наномедицина – вот еще одни векторы развития коллоидной химии.
