Группа японских учёных из RIKEN представила революционный полимерный материал, который обладает прочностью традиционного пластика, но при этом способен полностью разложиться в морской воде менее чем за девять часов. Ключом к этому свойству стала уникальная молекулярная структура с химическими «замками», которые остаются стабильными в обычных условиях, но «открываются» под воздействием солёной воды, запуская быстрый процесс распада на экологически безопасные компоненты. Это открытие предлагает двойное решение: оно не только сокращает образование микропластика, но и снижает выбросы парниковых газов от сжигания пластиковых отходов.
Пластики прочно вошли в нашу жизнь благодаря уникальному сочетанию гибкости, прочности и долговечности. Эти свойства обеспечиваются прочными ковалентными связями в их полимерных цепях. «Такие материалы, как полиэтилентерефталат (ПЭТ), из которого делают бутылки, невероятно универсальны. Они прочные, гибкие и поддаются переработке», — отмечает Такудзо Айда, директор Центра новых материалов RIKEN. Однако именно эта долговечность оборачивается главной экологической проблемой: пластик может сохраняться в природе столетиями, загрязняя почву и океаны, а его фрагментация приводит к образованию микропластика.
Микропластик сегодня обнаруживают повсеместно — от высочайших горных вершин до глубин океанских впадин. Эти частицы проникают в живые организмы, включая человека, накапливаясь в крови, лёгких и даже мозге. Хотя полное влияние на здоровье ещё изучается, масштабы загрязнения вызывают серьёзную тревогу.
Для борьбы с этой проблемой команда под руководством Такудзо Айды разработала супрамолекулярный пластик. В отличие от обычных полимеров, он состоит из обратимых нековалентных связей, которые можно сравнить с липучкой: их можно «застегнуть» для прочности и «расстегнуть» для разложения. «Мы описали метод создания пластика, который устойчив к нагрузкам, но может метаболизироваться в определённых условиях благодаря способности диссоциировать под действием электролитов», — пояснили исследователи в статье, опубликованной в журнале Science.
Как работают химические «замки», реагирующие на соль
Существующие биоразлагаемые пластики, такие как полимолочная кислота (PLA), часто не оправдывают ожиданий: в реальных условиях, особенно в морской воде, они разлагаются крайне медленно и всё равно превращаются в микропластик. Главный недостаток многих «зелёных» альтернатив — необходимость специальных условий для разложения (высокие температуры, определённые ферменты или растворители), что делает процесс энергозатратным и непрактичным.
Супрамолекулярные полимеры потенциально могут решить эти проблемы, но их обратимость — одновременно и преимущество, и слабость: они часто слишком быстро теряют прочность. Учёные провели масштабный скрининг тысяч молекулярных комбинаций, чтобы найти идеальный баланс между долговечностью и способностью к безопасному разложению. «Это был поиск иголки в стоге сена, но мы нашли решение удивительно быстро», — поделился Айда.
Чтобы материал был практичным, он должен сохранять стабильность в пресной воде и обычных условиях. Исследователи добились этого, создав молекулярные связи, которые «запираются» и становятся неактивными. «Ключом» к их разблокировке служит соль. В основе технологии лежит взаимодействие двух компонентов: гексаметафосфата натрия (пищевая добавка) и иона гуанидина (содержится в удобрениях). Вместе они образуют прочные поперечные связи, чувствительные к солевым электролитам.
Процесс разложения и экологичность
Учёные создали из нового соединения пластиковый лист. При смешивании с водой материал спонтанно разделялся на две фазы: водный слой и вязкий слой с супрамолекулярными структурами, соединёнными солевыми мостиками. После высушивания получался прочный, прозрачный, негорючий пластик, визуально неотличимый от обычного.
Лабораторные тесты показали, что при погружении в солёную воду электролиты разрушают молекулярные мостики, запуская быстрый распад. В среднем полное разложение листа занимает около 8,5 часов. Для применения, требующего водонепроницаемости, материал можно покрыть гидрофобным слоем, но как только это покрытие будет повреждено, процесс растворения возобновится.
Важнейшее преимущество нового пластика — безопасность его продуктов разложения. Они содержат азот и фосфор, которые могут усваиваться микроорганизмами и растениями как питательные вещества. Однако исследователи предостерегают: массовый выброс этих веществ в прибрежные воды может привести к эвтрофикации — чрезмерному росту водорослей. Поэтому оптимальным решением видится утилизация в специализированных центрах, где можно контролировать процесс разложения и повторно использовать материалы.
Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.
Читайте все последние новости о природе на New-Science.ru
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.