Дослідники під керівництвом Такудзо Ейди із Центру науки про нові речовини RIKEN (CEMS) розробили новий міцний пластик, який не забруднює наші океани. Новий матеріал такий самий міцний, як і звичайний пластик, ще й біорозкладаний, але його особливість у тому, що він розкладається в морській воді. Тому очікується, що новий пластик допоможе скоротити шкідливе забруднення мікропластиком, яке накопичується в океанах та ґрунті й зрештою потрапляє у харчовий ланцюжок. Експериментальні результати було опубліковано 22 листопада у журналі Science.
Вчені намагаються розробити безпечні та стійкі матеріали, які можуть замінити традиційний пластик, який не є стійким та завдає шкоди навколишньому середовищу. Хоча існують деякі пластики, що переробляються і біорозкладані, залишається одна велика проблема. Сучасні біорозкладані пластики, такі як PLA, часто потрапляють в океан, де вони не можуть розкладатися, оскільки вони нерозчинні у воді. В результаті мікропластик — шматочки пластику розміром менше ніж 5 мм — завдають шкоди водній флорі та фауні та потрапляють у харчовий ланцюжок, включаючи наші власні тіла.
У своєму новому дослідженні Ейда та його команда зосередилися на розв'язанні цієї проблеми за допомогою супрамолекулярних пластиків – полімерів зі структурами, які утримуються разом оборотними взаємодіями. Нові пластики були виготовлені шляхом поєднання двох іонних мономерів, які утворюють пошиті сольові містки, які забезпечують міцність та гнучкість. У початкових випробуваннях один із мономерів був звичайною харчовою добавкою під назвою гексаметафосфат натрію, а інший — будь-яким з кількох мономерів на основі іонів гуанідину. Обидва мономери можуть метаболізуватися бактеріями, що забезпечує біорозкладність після того, як пластик розчиняється у своїх компонентах.
"Хоча вважалося, що оборотний характер зв'язків у супрамолекулярних пластиках робить їх слабкими й нестабільними", - каже Ейда, "наші нові матеріали - повна протилежність". У новому матеріалі структура сольових містків необоротна, якщо не піддається впливу електролітів, подібних до тих, що містяться в морській воді. Ключовим відкриттям було те, як створити ці вибірково незворотні поперечні зв'язки.
Як і у випадку з олією та водою, після змішування двох мономерів у воді дослідники спостерігали дві розділені рідини. Одна була густою та в'язкою і містила важливі структурні зшиті сольові містки, а інша була водянистою та містила іони солі. Наприклад, коли використовувалися гексаметафосфат натрію та алкіл гуанідиновий сульфат, сіль сульфату натрію витіснялася у водний шар. Кінцевий пластик, алкіл SP₂, був отриманий шляхом висушування того, що залишалося в товстому в'язкому рідкому шарі.
«Знесолення» виявилося критичним етапом; без нього отриманий висушений матеріал являв собою крихкий кристал, непридатний для використання. Повторне соління пластику шляхом поміщення його в солону воду призводило до зворотної взаємодії, і структура пластику дестабілізувалася протягом кількох годин. Таким чином, створивши міцний та довговічний пластик, який все ще може розчинятися за певних умов, дослідники потім перевірили якість пластику.
Нові пластики нетоксичні та незаймисті, що означає відсутність викидів CO2, і можуть бути переформовані за температур вище 120 °C, як і інші термопластики. Випробовуючи різні типи сульфатів гуанідину, команда змогла створити пластики з різною твердістю та міцністю на розрив, усі порівняні або переважні до звичайних пластики. Це означає, що новий тип пластику може бути налаштований відповідно до потреб; можливі тверді, стійкі до подряпин пластики, гумові силіконоподібні пластики, міцні тяжки пластики або гнучкі пластики з низькою міцністю на розрив. Дослідники також створили пластики, що розкладаються в океані, з використанням полісахаридів, які утворюють пошиті сольові містки з мономерами гуанідину. Такі пластики можна використовувати у 3D-друку, а також у медичних або пов'язаних зі здоров'ям додатках.
Нарешті, дослідники досліджували придатність нового пластику до перероблювання та біорозкладання. Після розчинення вихідного нового пластику в солоній воді їм вдалося відновити 91% гексаметафосфату та 82% гуанідину у вигляді порошків, що свідчить про те, що перероблення є простим та ефективним. У ґрунті листи нового пластику повністю розклалися протягом 10 днів, забезпечуючи ґрунт фосфором та азотом, аналогічним добриву.
"З цим новим матеріалом ми створили нове сімейство пластиків, які міцні, стабільні, придатні для вторинного перероблення, можуть виконувати безліч функцій і, що важливо, не утворюють мікропластик", - говорить Ейда.
