Новый пластик, который быстро растворяется в соленой воде, не оставляя после себя микропластика - New-Science.ru
31 марта 2025, 00:00
Японские исследователи разработали новый полимер, который по прочности не уступает обычному пластику и способен быстро разлагаться (менее чем за девять часов) при контакте с морской водой. Молекулярная структура материала основана на ковалентных связях, снабженных химическим "замком", который активен в обычных условиях, но дезактивируется в присутствии соли. Этот механизм запускает процесс распада материала на побочные продукты, безвредные для окружающей среды и потенциально пригодные для повторного использования. Это двойное достижение, которое поможет сократить как выбросы парниковых газов, связанные с сжиганием пластика, так и распространение микропластика.
Пластиковые материалы вездесущи в нашей повседневной жизни. Своим повсеместным распространением они обязаны своим исключительным механическим свойствам, сочетающим гибкость и прочность. Эта прочность обусловлена прочностью ковалентных связей, удерживающих полимерные цепочки вместе. "
Пластмассы, особенно полиэтилентерефталат, используемый для изготовления бутылок, особенно универсальны. Они гибкие, но при этом прочные, долговечные и пригодны для вторичной переработки. Трудно превзойти это удобство", — объясняет Такузо Аида, директор Центра новых наук о материи RIKEN в Японии.
Но именно эта прочность и придает пластику проблематичную долговечность: он может десятилетиями и даже сотнями лет сохраняться в окружающей среде, накапливаясь на свалках, в почве и морской среде. Их частичная деградация часто приводит к образованию микропластика — крошечных фрагментов, которые усугубляют их рассеивание.
Сегодня микропластик можно найти повсюду в природе, даже в самых труднодоступных местах — от вершины Эвереста до Марианской впадины. Они также просачиваются в живые организмы, включая людей: их обнаруживают в крови, легких и мозге. Хотя их влияние на здоровье еще не до конца выяснено, их вездесущность вызывает все большую озабоченность у населения.
Пытаясь исправить ситуацию, команда под руководством Такузо Аиды разработала супрамолекулярный пластиковый материал, который сочетает в себе прочность обычных полимеров и способность быстро разлагаться в морской среде. "
В этой работе мы описываем нековалентный синтез новых пластиков, которые устойчивы к механическим воздействиям, но могут быть метаболизированы в соответствующих биологических условиях благодаря их диссоциативной природе с электролитами", — объясняют исследователи в своем исследовании, опубликованном в журнале
Science.
Химические "замки", которые деактивируются в присутствии соли
Уже несколько лет так называемые биоразлагаемые пластики регулярно представляются как более выгодная альтернатива. Однако их применение по-прежнему сопряжено с рядом подводных камней. Скорость разложения и условия, необходимые для этого, часто создают проблемы. Некоторые из них образуют вредные побочные продукты, другие могут быть разложены только с помощью специальных растворителей или при высоких температурах, что является энергоемким процессом.
Например, несмотря на то, что полилактид (PLA), пластик, который, как предполагается, разлагается в почве, используется повсеместно, анализы показали, что он остается в океане неповрежденным. Однако в реальных условиях окружающей среды он разлагается слишком медленно. Затем он превращается в микропластик, который невосприимчив к бактериям, грибкам или природным ферментам.
Супрамолекулярные полимеры могут предложить решение этой проблемы. В отличие от обычных полимеров, эти материалы состоят из нековалентных, менее стабильных, обратимых связей, сравнимых с липкими записками, которые можно прикреплять и откреплять, — объясняет Такузо Аида. Такая архитектура придает им интересные свойства, такие как самовосстановление и легкая переработка с помощью растворителей, способных диссоциировать связи.
Но эта обратимость является и их слабым местом: супрамолекулярные материалы часто разрушаются слишком быстро, что ограничивает возможности их использования. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи протестировали тысячи молекулярных комбинаций в поисках состава, который был бы одновременно прочным и легко разлагался без токсичных остатков. "
Скрининг молекул похож на поиск иголки в стоге сена, но мы нашли эту комбинацию очень быстро, что заставило нас поверить, что метод может сработать", — с восторгом говорит исследователь.
Чтобы новый пластик был таким же универсальным, как и обычные материалы, он должен был выдерживать воздействие пресной воды. Поэтому ученые разработали технологию, которая блокирует молекулярные связи, разрушить которые можно только с помощью специального "ключа" - соли. Другими словами, материал остается неповрежденным в обычных условиях, но быстро разлагается при погружении в морскую среду.
Решающим оказалось сочетание двух элементов: гексаметафосфата натрия, распространенной пищевой добавки, и мономеров на основе ионов гуанидиния, встречающихся в удобрениях и почвенных добавках. Эти соединения образуют прочные сшивки между собой, но чувствительны к солевым электролитам.
Полная деградация менее чем за 9 часов
Исследователи приготовили листы нового пластика, смешав соединения в воде. Смесь самопроизвольно образовала две различные фазы: верхний водный слой и нижний вязкий слой, последний содержал супрамолекулярные структуры, связанные между собой солевыми мостиками. После извлечения и высушивания это вещество превратилось в прочный пластик, похожий на обычные материалы, но при этом негорючий, бесцветный и прозрачный.
Испытания показали, что этот пластик действительно разрушается при контакте с соленой водой: электролиты разрушают молекулярные солевые мостики. В среднем листы разлагаются за восемь с половиной часов. Для определенных целей материал можно сделать непроницаемым, добавив гидрофобное покрытие. Однако, как только это покрытие повреждается, растворение быстро возобновляется.
Еще одно заметное преимущество заключается в том, что продукты распада являются экологически полезными. В частности, они содержат азот и фосфор, которые могут быть усвоены микроорганизмами и растениями в качестве питательных веществ. Однако исследователи предупреждают, что эти питательные вещества, если они попадают в воду в чрезмерных количествах, могут нарушить прибрежные экосистемы и способствовать распространению вредных водорослей. В идеале утилизацию таких пластиков следует доверить специализированным центрам переработки, способным либо повторно использовать материалы, либо ответственно контролировать потоки деградации.
Читайте все последние новости природы на New-Science.ru