To, co łączy wszystkie te odkrycia to natura. Teraz badacze poinformowali o kolejnym. Jego autor, Amerykanin Yuwei Gu, spacerował po Bear Mountain State Park w Nowym Jorku, gdy zobaczył, jak plastikowe butelki walały się po szlaku, a kolejne dryfowały po pobliskim jeziorze. Zainspirowało go to do działania.
Kluczem okazały się polimery – długie, łańcuchowe cząsteczki, z których zbudowane są zarówno materiały naturalne, jak i współczesne tworzywa sztuczne. DNA i RNA są polimerami, podobnie jak białka i celuloza. Różnica polega na tym, że naturalne polimery z czasem ulegają rozkładowi, podczas gdy tworzywa sztuczne często pozostają w środowisku przez dziesięciolecia, a nawet dłużej.
Gu zdał sobie sprawę, że skoro naturalne polimery potrafią pełnić swoją funkcję, a następnie zanikać, to tworzywa sztuczne mogą robić to samo. Wiedział już, że polimery biologiczne zawierają niewielkie, wbudowane właściwości chemiczne, które pomagają ich wiązaniom rozpaść się w odpowiednim momencie.
Pomyślałem, co by było, gdybyśmy skopiowali tę sztuczkę? Czy moglibyśmy sprawić, by tworzywa sztuczne wytworzone przez człowieka zachowywały się tak samo?
Przełomowe badania nad plastikiem
W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Chemistry ” Gu i jego koledzy z Rutgers wykazali, że zastosowanie tego inspirowanego naturą podejścia pozwala na rozkład tworzyw sztucznych w codziennych warunkach, bez konieczności stosowania wysokiej temperatury i agresywnych chemikaliów.
Polimery składają się z wielu powtarzających się jednostek połączonych ze sobą, niczym koraliki na sznurku. Tworzywa sztuczne należą do tej kategorii, podobnie jak DNA, RNA i białka. DNA i RNA składają się z łańcuchów mniejszych jednostek zwanych nukleotydami, podczas gdy białka zbudowane są z aminokwasów.
To, co spaja te jednostki, to wiązania chemiczne, które działają jak klej na poziomie molekularnym. W polimerach wiązania te łączą ze sobą kolejne elementy. Silne wiązania zapewniają tworzywom sztucznym trwałość, ale jednocześnie utrudniają ich rozkład po wyrzuceniu.
Badania skoncentrowały się więc na projektowaniu wiązań, które pozostają mocne podczas użytkowania, ale stają się łatwiejsze do zerwania później, gdy zachodzi potrzeba degradacji.
Plastik można zaprogramować
Kluczowe odkrycie polegało na starannym ułożeniu elementów struktury chemicznej plastiku tak, aby znajdowały się w odpowiednich pozycjach, dzięki czemu mogły się rozpaść pod wpływem impulsu.
Gu porównuje ten pomysł do zginania kartki papieru w taki sposób, aby łatwo rozerwała się wzdłuż zagięcia. Dzięki skutecznemu „wstępnemu złożeniu” struktury na poziomie molekularnym, plastik może rozpadać się tysiące razy szybciej niż zwykle.
Pomimo tej wrodzonej podatności, ogólny skład chemiczny tworzywa sztucznego pozostaje niezmieniony. Oznacza to, że pozostaje ono wytrzymałe i użyteczne aż do momentu aktywacji degradacji.
Kontrolując orientację i położenie molekuł, możemy zaprojektować ten sam plastik tak, aby rozkładał się przez dni, miesiące, a nawet lata
Można dopasować rozpad plastiku do jego przeznaczenia
Taki poziom kontroli pozwala na projektowanie tworzyw sztucznych o żywotności odpowiadającej ich przeznaczeniu. Opakowania żywności mogą wystarczyć na jeden dzień, podczas gdy części samochodowe muszą wytrzymać wiele lat. Naukowcy wykazali, że degradacja może zachodzić od samego początku lub być aktywowana później za pomocą światła ultrafioletowego czy jonów metali.
Potencjalne zastosowania wykraczają daleko poza redukcję zanieczyszczenia plastikiem. Te same zasady mogą prowadzić np. do powstania kapsułek lub powłok z opóźnionym uwalnianiem leku, które same usuwają się po określonym czasie.
„Te badania nie tylko otwierają drogę do bardziej przyjaznych dla środowiska tworzyw sztucznych, ale także poszerzają zestaw narzędzi do projektowania inteligentnych, responsywnych materiałów na bazie polimerów w wielu dziedzinach” – powiedział główny autor.
Kolejnym celem naukowców będzie dokładniejsze sprawdzenie, czy drobne fragmenty pozostające po rozpadzie plastiku w ten sposób stanowią jakiekolwiek zagrożenie dla organizmów żywych lub ekosystemów.
Co wiesz o odpadach?
