З появою синтетичних полімерів, що випускаються промисловим шляхом, екологічна ситуація в світі стала помітно погіршуватися, і сьогодні цей процес продовжує набирати темпи. Чи можна його зупинити? Для цього людству необхідно перейти на більш безпечні для природи біорозкладані матеріали, здатні запобігти накопиченню сміття на планеті. Що це можуть бути за матеріали? Можливо, відповідь на це питання слід шукати у відносно недавньому минулому, коли люди для різних цілей, в тому числі для виробництва композитних матеріалів, застосовували натуральну сировину, наприклад кров.
Очищення кров'ю
Близько 60 відсотків розчинних білків крові становить сироватковий альбумін - «молекула-таксі», як її іноді називають за здатність зв'язуватися з молекулами як органічної, так і неорганічної природи і виконувати їх транспорт у крові та міжклітинній рідині. Одна молекула альбуміну може одночасно зв "язати 25 - 50 великих молекул білірубіну - продукту розщеплення деяких білків.
Можливість «приліпляти» різні за хімічною природою речовини визначається наявністю в молекулі білка безлічі різноманітних функціональних груп і ліпофільних частин.
Ця властивість альбуміну дозволила першим підприємствам з виробництва цукру використовувати кров для очищення первинного цукрового сиропу.
Кров виявилася найдешевшим серед можливих реагентів, оскільки обходилася в 35 разів дешевше популярного на той момент вугілля, але не поступалася йому за ефективністю очищення. На 60 кілограмів сирого цукру потрібен був лише літр свіжої крові. Альбумін з плазми крові при кипінні з неочищеним цукровим сиропом згортався і сорбував непотрібні гідрофобні домішки і тверді колоїдні частинки.
У такому очищенні важливим етапом є процес незворотної денатурації - втрати білком вихідної конформації, в результаті якого він перестає розчинятися у воді. Але і вже згорнутому альбуміну знайшлося відмінне застосування в промисловості.
«Деревина» з крові
У 1855 році паризький письменник Франсуа Лепаж (Francois Lepage) придумав так звану «тверду деревину» () - спресовану суміш тирси з кров'ю великої рогатої худоби або більш дорогих яєчних білків, що на вигляд нагадує чорне дерево.
«Тверду деревину» отримували шляхом змішання деревного борошна з 15-20 відсотками по масі свіжої крові. Кашицю нагрівали до температури 45 градусів Цельсія, випарюючи зайву вологу. Потім отриманий порошок насипали в залізну форму, півгодини тиснули пресом і нагрівали розпеченим до червона металом приблизно до 150-200 градусів Цельсія. Готовий матеріал поринули у воду.
Для виробництва одного кілограма «деревини» за такою технологією, потрібно всього близько 130 мілілітрів рідкої крові.
Дослідження термодинаміки згортання альбуміну показують, що перед тим, як остаточно і безповоротно (незворотно) денатурувати, він проходить через проміжну зворотну стадію. На цій стадії довга згорнута молекула білка розгортається і з'єднується з кількома сусідніми такими ж молекулами. Утворюється так званий олігомер - ланцюг з декількох білкових ланок.
Такий розчин гуще вихідного стану альбуміну, так як деякі зв'язки між молекулами стали набагато міцнішими, але ще не остаточно затверділий. При температурі вище 74 градусів Цельсія олігомери з'єднуються один з одним і отримані ланцюжки зручно укладаються і утворюють єдину білкову сітку, після чого перевести білок назад в розчинний стан вже неможливо.
Воду на підприємствах з виробництва «твердого дерева» видаляли не дарма, так як білок в безводному середовищі денатурує більш повно і втрати цінного альбуміну виявляються мінімальні.
У 1859 році Альфред Летрі (Alfred Latry) купив у Лепажа патент і заснував компанію з виробництва чорнильниць, табличок, картинних рам і меблів. Вже в 1862 році він представив свою продукцію на міжнародній виставці.
Невідомо точно, коли виробництво «твердого дерева» в Парижі зупинилося, але в 1883 році члени сім'ї Хунебелле заснували ще одну фабрику з виробництва «кривавого» композиту на сході Франції, в Сезанні. До пожежі в 1926 році там виготовляли декоративну продукцію з «твердого дерева» в стилях Belle Epoque і Art Nouveau.
Гемацит і дверні ручки
У 1892 році в січневому випуску американського журналу вийшла стаття про винахід доктора У.Х. Діббла (W.H. Dibble) з Трентона, штат Нью-Джерсі, на який він отримав патент ще в 1877 році.
Йшлося про промислове виробництво дешевого, міцного, стійкого до температурних і атмосферних коливань матеріалу. Хоча гемацит (hemacite), як назвав свій винахід доктор Діббл, представляв з себе суміш крові з тирсою і хімічними добавками, отриману під тиском 40 тисяч фунтів на квадратний дюйм, вироби з нього виходили досить приємними на вигляд і на дотик.
Компанія Dibble's Hemacite Manufacturing Company виробляла з гемациту матеріали для внутрішнього оздоблення приміщень, дверні ручки, кнопки для касових апаратів, а потім і колеса для роликових ковзанів. Можна сказати, що гемацит був аналогом сучасного пластику.
Однак такий полімер відрізнявся від синтетичних тим, що під дією ферментів міг розкладатися на низькомолекулярні речовини, а під тиском або під дією хімічних речовин - і зовсім переходити у вихідний водорозчинний стан, тобто ренатурувати. Можна сказати, що Дібблу вдалося створити справжній біорозкладуваний композитний матеріал.
До речі, винахідник «кривавого» композиту взагалі був досить заповзятливою і талановитою людиною. До роботи над гемацитом Діббл запатентував стоматологічне пристосування, що дозволяло тримати рот пацієнта відкритим і в той же час висмоктувати з порожнини рота слину.
До початку ХХ століття Dibble's Hemacite Manufacturing Company пережила пожежу на виробництві, переїзд в іншу будівлю і зміну назви. Підкосила її лише поява ще дешевшого синтетичного матеріалу - бакеліту, запатентованого в 1909 році Лео Баккеландом, який через рік заснував компанію Bakelite Corporation.
Проте вироби з гемациту досі перебувають у робочому стані, і їх навіть можна купити.
Альбуміновий клей
Як уже говорилося, в структуру альбуміну входить безліч різних функціональних груп, які можуть утворювати слабкі, але численні зв'язки з різними молекулами.
Під дією лужі, наприклад гашеної вапна, білок набуває високого заряду, його конформація змінюється, макромолекули білка «розпрямляються» і укладаються один відносно одного так, що розчин густіє і стає липким. Ця властивість дозволяє припустити, що альбумін може стати хорошим клеєм.
Велика кількість гідроксильних груп у складових речовинах деревини утворюють водневі зв'язки із зарядженими центрами білка. Таких зв'язків утворюється досить багато, щоб альбуміновий клей міг надійно прикріпитися до дерев'яної поверхні. Але для того, щоб поверхні не розклеїлися, сили взаємодії між молекулами альбуміну теж повинні бути досить сильними. Для цього склеєні вироби піддають дії високих температур, в результаті чого білок денатурує і клей твердіє.
У 1913 році американський винахідник Генрі Хаскел (Henry L. Haskell) використовував адгезивні властивості сироваткового білка і винайшов гідрофобний клей з бичачого альбуміну, здатний склеювати фанерні листи.
Матеріал був названий хаскелітом на честь винахідника і вироблявся компанією Haskell Manufacturing в Мічигані. З нього робили літаки, човни, понтони, двері, підлоги, дахи та інші конструктивні елементи.
Під час Першої світової війни працівники фабрики постачали хаскелітом американську, британську та французьку армії. Близько 0,5 квадратного кілометра матеріалу пішло на виробництво військових літаків.
Після 1930 року компанія вже продавала фанеру з додатковими шарами зі сталі, алюмінію або міді, причому для її виробництва використовувалися різні фенольні смоли.
Гемоглобін і бульбашки
Кров рогатої худоби здавна використовували для виготовлення різних видів «цементу», які могли містити не тільки бичачий альбумін, але і білки з яєць, молока і сиру.
В одному з стародавніх китайських рецептів такого цементу рекомендовано змішати 100 частин гашеної вапна, 75 частин крові бика і дві частини квасців. Взаємодіючи з квасцями, кальцій утворював з вапна сульфат, який міг затверджувати в природних умовах, утворюючи кристалогідрат, а денатуровані білки грали роль зв'язувального компонента.
Вчені знайшли сліди крові і в матеріалах стін стародавнього міста Світу (Myra), зведених за часів Римської імперії. Споруді вдалося простояти до наших днів завдяки гемоглобіну, який, захоплюючи кисень, стимулював утворення невеликих бульбашок, що зміцнювали «кривавий» бетон.
Залучення повітря в бетон, як зараз називають таку процедуру, збільшують стійкість бетону до внутрішніх розширень. Дрібні бульбашки розмірами до одного міліметра, які при дотриманні технології рівномірно заповнюють бетон, підвищують його стійкість до кліматичних змін і появи тріщин, знижуючи внутрішнє тертя в бетоні.
Самі римляни навряд чи здогадувалися про це, але французький винахідник Шарль Лалеман (Charles Laleman) зрозумів, що саме гемоглобін сприяє зниженню як ваги бетону, так і його теплопровідності (залучення бульбашок повітря, що погано проводить тепло, підвищує ізолюючі властивості матеріалу в цілому). У 1980 році він запатентував технології виробництва цементу, бетону і вапняного розчину з висушеної крові тварин.
Через десять років співвітчизник Лалемана Жорж Казаленс (Georges Cazalens) продовжив і розвинув його технології.
Цегла з крові
Джон Норман (John Norman) зі штату Огайо ще в 1909 році придумав будівельний матеріал з кісток, цементу, азбесту і крові.
Трьома роками пізніше Конрад Стайнбо (Conrad Stinebaugh) запропонував додавати в цемент тільки кров. Винахідник зауважив, що при змішуванні сухого цементу з кров'ю вода з плазми витрачається на реакцію з цементом, а решта компонентів крові розподіляються за обсягом у вигляді невеликих гелевих частинок. Стайнбо вважав, що ці частинки заповнюють порожнечі, які без цієї добавки утворюються в більшій кількості.
А зовсім недавно, в 2012 році, британський архітектор Джек Манро (Jack Munro) у своїй магістерській роботі описав технологію створення цеглин з крові корів. Обурившись тим, що майже всі будівлі сьогодні зводяться із залізобетону, який не завжди доступний в бідних країнах, він знайшов альтернативний вартовий матеріал.
Обговоривши ідею з фермерами, Манро взяв близько 30 літрів свіжої крові, яку може отримати з однієї корови, і змішав її з ^ агулянтом ЕДТА для запобігання згортання, консервантом - азидом натрію, щоб кров не зіпсувалася, і наповнювачами - піском і водою. Отриману суміш архітектор залив у форми і випалював цеглу в сушильній шафі при температурі 70 градусів Цельсія.
Він не давав утворюватися фібрину при контакті крові з повітрям, інакше вона стала б в'язкою і менш плинною, згортаючись грудками прямо в цеглі. Азид натрію перешкоджав поширенню мікроорганізмів, але не змінював консистенції крові, що робило його відмінним консервантом.
Британський архітектор лише підтвердив стародавній рецепт у сучасних умовах. Його технологія вимагає подальших поліпшень по випалюванню, варіюванню співвідношень компонентів і оптимізації процесу.
Однак у «цегли з крові» є і істотний недолік - вони обходяться досить дорого. Залежно від кількості використовуваного піску з крові однієї корови можна отримати до чотирьох кубічних дециметрів матеріалу, тобто одну квадратну цеглу розмірами 16х16х16 сантиметрів.
Щоб побудувати стіну заввишки два метри, довжиною п'ять метрів і товщиною в одну таку цеглу, знадобиться кров приблизно 400 корів, а закуповувати сироватковий альбумін для будівництва стін абсолютно не доцільно. Тому життєздатність ідеї Манро в промислових обсягах досить сумнівна.
Саме з цієї причини ці та інші винаходи, пов'язані із застосуванням крові, в звичайно рахунку програли більш індустріальним матеріалам, насамперед синтетичним полімерам. Звичайно, використовувати кров було б краще з екологічної точки зору, оскільки біополімери з денатурованих білків легше піддаються переробці і розкладанню на низькомолекулярні речовини. Однак на сьогоднішній день економічність все ще бере гору над екологічністю.