Opracowane przez naukowców nowe, trwałe, biodegradowalne tworzywo sztuczne rozkłada się w wodzie morskiej, co stanowi potencjalne rozwiązanie problemu zanieczyszczeń mikroplastikami.
Materiał ten, oparty na strukturach supramolekularnych, można dostosować do różnych zastosowań i w pełni nadaje się do recyklingu, co zwiększa jego korzyści dla środowiska.
Nowy, zrównoważony plastik
Naukowcy pod kierownictwem Takuzo Aidy z RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) stworzyli przełomowe tworzywo sztuczne, które łączy trwałość z przyjaznością dla środowiska. Ten innowacyjny materiał jest nie tylko tak wytrzymały jak konwencjonalne tworzywa sztuczne, ale także ulega biodegradacji i ma wyjątkową zdolność rozkładania się w wodzie morskiej. Rozwiązując kluczowy problem środowiskowy, tworzywo to może znacznie zmniejszyć zanieczyszczenie mikroplastikiem, które gromadzi się w oceanach, glebie i ostatecznie przedostaje się do łańcucha pokarmowego. Ustalenia zespołu opublikowano dzisiaj (22 listopada) w czasopiśmie Nauka.
Od lat trwają prace nad opracowaniem zrównoważonych alternatyw dla tradycyjnych tworzyw sztucznych, które nie ulegają biodegradacji i są szkodliwe dla środowiska. Chociaż istnieją już pewne opcje biodegradowalne i nadające się do recyklingu, pozostaje główne wyzwanie: wiele z tych materiałów, takich jak PLA, nie ulega degradacji w środowisku oceanicznym, ponieważ są nierozpuszczalne w wodzie. To ograniczenie umożliwia mikroplastikom – drobnym fragmentom mniejszym niż 5 mm – utrzymywanie się w ekosystemach morskich, szkodząc organizmom wodnym i przedostając się do łańcucha pokarmowego, w tym do ludzi.
Innowacyjny
W nowym badaniu Aida i jego zespół skupili się na rozwiązaniu tego problemu za pomocą tworzyw sztucznych supramolekularnych — polimerów o strukturach połączonych odwracalnymi interakcjami. Nowe tworzywa sztuczne powstały poprzez połączenie dwóch monomerów jonowych tworzących usieciowane mostki solne, które zapewniają wytrzymałość i elastyczność. We wstępnych testach jeden z monomerów był powszechnie stosowanym dodatkiem do żywności zwanym heksametafosforanem sodu, a drugim był dowolny z kilku monomerów na bazie jonów guanidyniowych. Obydwa monomery mogą być metabolizowane przez bakterie, co zapewnia biodegradację po rozpuszczeniu tworzywa sztucznego w jego składnikach.
„Chociaż uważa się, że odwracalny charakter wiązań w supramolekularnych tworzywach sztucznych powoduje, że są one słabe i niestabilne” – mówi Aida, „nasze nowe materiały są czymś zupełnie przeciwnym”. W nowym materiale struktura mostka solnego jest nieodwracalna, chyba że zostanie wystawiona na działanie elektrolitów, takich jak te znajdujące się w wodzie morskiej. Kluczowym odkryciem było stworzenie tych selektywnie nieodwracalnych połączeń krzyżowych.
Proces tworzenia i właściwości
Podobnie jak w przypadku oleju z wodą, po zmieszaniu obu monomerów w wodzie badacze zaobserwowali dwie rozdzielone ciecze. Jedna była gęsta i lepka i zawierała ważne strukturalnie usieciowane mostki solne, podczas gdy druga była wodnista i zawierała jony soli. Na przykład, gdy stosowano heksametafosforan sodu i siarczan alkilodiguanidyniowy, sól siarczanu sodu została wyrzucona do warstwy wodnej. Ostateczny plastik, alkil SP2, wytworzono poprzez suszenie pozostałości w grubej, lepkiej warstwie cieczy.
Krytycznym krokiem okazało się „odsalanie”; bez niego powstały wysuszony materiał był kruchym kryształem, nienadającym się do użycia. Ponowne zasolenie plastiku poprzez umieszczenie go w słonej wodzie spowodowało odwrócenie interakcji i destabilizację struktury plastiku w ciągu kilku godzin. Zatem po stworzeniu mocnego i trwałego tworzywa sztucznego, które w pewnych warunkach nadal może się rozpuścić, naukowcy następnie przetestowali jego jakość.
Zastosowania i wpływ na środowisko
Nowe tworzywa sztuczne są nietoksyczne i niepalne, co oznacza brak emisji CO2, a także można je kształtować w temperaturach powyżej 120°C, podobnie jak inne tworzywa termoplastyczne. Testując różne typy siarczanów guanidyny, zespołowi udało się wytworzyć tworzywa sztuczne o różnej twardości i wytrzymałości na rozciąganie, a wszystkie porównywalne lub lepsze od konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Oznacza to, że nowy rodzaj tworzywa sztucznego można dostosować do potrzeb; Możliwe są twarde, odporne na zarysowania tworzywa sztuczne, gumowe tworzywa sztuczne przypominające silikon, mocne tworzywa sztuczne nośne lub elastyczne tworzywa sztuczne o niskiej wytrzymałości na rozciąganie. Naukowcy stworzyli także tworzywa sztuczne ulegające rozkładowi w oceanach, wykorzystując polisacharydy tworzące usieciowane mostki solne z monomerami guanidyniowymi. Takie tworzywa sztuczne można stosować w druku 3D, a także w zastosowaniach medycznych lub związanych ze zdrowiem.
Na koniec naukowcy zbadali możliwość recyklingu i biodegradacji nowego tworzywa sztucznego. Po rozpuszczeniu nowego tworzywa sztucznego w słonej wodzie udało się odzyskać 91% heksametafosforanu i 82% guanidyny w postaci proszków, co wskazuje, że recykling jest łatwy i wydajny. W glebie arkusze nowego plastiku uległy całkowitej degradacji w ciągu 10 dni, dostarczając glebie fosfor i azot podobnie jak nawóz.
„Dzięki temu nowemu materiałowi stworzyliśmy nową rodzinę tworzyw sztucznych, które są mocne, stabilne, nadają się do recyklingu, mogą pełnić wiele funkcji i, co ważne, nie wytwarzają mikroplastików” – mówi Aida.
Odniesienie: „Mechanicznie mocne, ale metabolizowane supramolekularne tworzywa sztuczne poprzez odsalanie po rozdzieleniu faz” 21 listopada 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ado1782
