Японские исследователи разработали новый полимер, который по прочности не уступает обычному пластику и быстро разрушается (менее чем за девять часов) при воздействии морской воды. Молекулярная структура материала основана на ковалентных связях, снабженных химическим «замком», который активен в нормальных условиях, но дезактивируется в присутствии соли. Этот механизм запускает процесс разложения материалов на экологически чистые и пригодные для вторичной переработки побочные продукты. Это двойное достижение: оно помогает сократить выбросы парниковых газов от сжигания пластика и распространение микропластика.
Пластиковые материалы присутствуют повсюду в нашей повседневной жизни. Они широко используются благодаря своим превосходным механическим свойствам, сочетающим гибкость и прочность. Эта прочность обусловлена прочностью ковалентных связей, удерживающих полимерные цепи вместе. «Пластики, особенно полиэтилентерефталат, который используется для изготовления бутылок, чрезвычайно универсальны. Они гибкие, но прочные, долговечные и пригодные для вторичной переработки», — объясняет Такудзо Айда, директор Центра новых материалов RIKEN.
Но именно эта прочность делает пластик столь пугающе долговечным: он может сохраняться в окружающей среде десятилетиями или даже столетиями, накапливаясь на свалках, в почве и морской среде. Их частичная деградация часто приводит к образованию микропластика — крошечных фрагментов, которые могут усиливать их распространение.
Микропластик теперь можно обнаружить повсюду в природе, даже в самых труднодоступных местах — от вершины Эвереста до Марианской впадины. Они также проникают в живые организмы, в том числе и в человека: присутствуют в крови, легких и мозге. Хотя их воздействие на здоровье до конца не изучено, их распространенность вызывает все большую обеспокоенность.
Для решения этой проблемы группа ученых под руководством Такудзо Айды разработала супрамолекулярный пластиковый материал, сочетающий в себе прочность традиционных полимеров со способностью быстро разлагаться в морской среде. «В этом исследовании мы описываем метод нековалентного синтеза нового типа пластика, который устойчив к механическим нагрузкам, но может метаболизироваться в соответствующих биологических условиях благодаря своим диссоциативным свойствам от электролитов», — пояснили исследователи в своем исследовании, опубликованном в журнале .
Химические «замки», которые деактивируются в присутствии соли
В течение многих лет так называемые биоразлагаемые пластики рекламировались как более экономически эффективная альтернатива. Однако в их использовании все еще есть много недостатков. Скорость разложения и условия, необходимые для разложения, часто создают проблемы. Некоторые из них образуют вредные побочные продукты, другие можно разложить только с помощью специальных растворителей или при высоких температурах, что является энергоемким процессом.
Например, полимолочная кислота (PLA) — пластик, который, как считается, разлагается в почве, — встречается повсюду, но тесты показывают, что в океане он остается нетронутым. Однако в реальных условиях окружающей среды он разлагается слишком медленно.
Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.
Затем он превращается в микропластик, не подверженный воздействию бактерий, грибков или природных ферментов.Супрамолекулярные полимеры могут решить эту проблему. Такудзо Айда объясняет, что в отличие от традиционных полимеров эти материалы состоят из нековалентных, менее стабильных, обратимых связей, похожих на липкие заметки, которые можно прикреплять и отклеивать. Такая структура придает им некоторые интересные свойства, такие как самовосстановление и легкая обработка с использованием растворителей, которые могут разрывать связи.
Однако эта обратимость является и их слабостью: супрамолекулярные материалы имеют тенденцию к слишком быстрой деградации, что ограничивает их потенциальное применение. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи протестировали тысячи комбинаций молекул, чтобы найти ту, которая была бы одновременно долговечной и легко биоразлагаемой, не оставляя токсичных остатков. «Скрининг молекул был подобен поиску иголки в стоге сена, но мы нашли эту комбинацию так быстро, что считаем этот подход эффективным», — воодушевленно заявил исследователь.
Чтобы новый пластик был таким же универсальным, как традиционные материалы, он должен выдерживать разрушительное воздействие пресной воды. Поэтому ученые разработали технологию, позволяющую блокировать молекулярные связи, разорвать которые можно только с помощью специального «ключа» — соли. Другими словами, материал остается нетронутым в нормальных условиях, но быстро разрушается при погружении в морскую среду.
Ключ кроется в сочетании двух элементов: гексаметафосфата натрия, распространенной пищевой добавки, и мономерного иона гуанидина, содержащегося в удобрениях и почвенных кондиционерах. Эти соединения образуют прочные поперечные связи друг с другом, но чувствительны к солевым электролитам.
Полная деградация менее чем за 9 часов
Исследователи смешали соединение с водой, чтобы создать новый тип пластикового листа. Смесь спонтанно образовала две отдельные фазы: верхний водный слой и нижний вязкий слой, содержащий надмолекулярные структуры, связанные между собой солевыми мостиками. После извлечения и высушивания вещество превращается в прочный пластик, который выглядит как обычные материалы, но является негорючим, бесцветным и прозрачным.
Испытания показали, что пластик разрушается под воздействием соленой воды: электролиты разрушают молекулярные солевые мостики. В среднем листы разлагаются за восемь с половиной часов. Для некоторых целей материалы можно сделать непроницаемыми для воды, добавив гидрофобное покрытие. Однако как только это покрытие разрушается, растворение быстро возобновляется.
Еще одним существенным преимуществом является то, что отходы являются экологически чистыми. В частности, содержащиеся в нем азот и фосфор могут усваиваться микроорганизмами и растениями в качестве питательных веществ. Однако исследователи предупреждают, что эти питательные вещества, если их выбросить в воду в чрезмерных количествах, могут нанести ущерб прибрежным экосистемам и способствовать распространению вредных водорослей. В идеале утилизацию таких пластиков следует поручить специализированным центрам переработки, которые могут как повторно использовать материалы, так и ответственно управлять потоками деградации.
Читайте все последние новости о природе на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.