一個簡單的化學技巧可以永遠消除塑料

顧開始思考聚合物，即構成天然材料和現代塑料的長鏈狀分子。 DNA 和 RNA 是聚合物，蛋白質和纖維素也是聚合物。不同之處在於，天然聚合物最終會降解，而合成塑料通常會在環​​境中保留數十年或更長時間。

羅格斯藝術與科學學院化學與化學生物學系助理教授 Gu 表示：“生物學中到處都使用聚合物，例如蛋白質、DNA、RNA 和纖維素，但自然界從來沒有出現過合成塑料那樣的長期積累問題。”

站在森林裡，他突然明白了原因。

“差異肯定在於化學反應，”他說。

模仿自然的退出策略

喬意識到，如果天然聚合物能夠完成它們的工作然後消失，那麼人造塑料也許也能做同樣的事情。他已經知道生物聚合物具有小的內置化學特性，有助於它們的鍵在適當的時刻斷裂。

“我想，如果我們複製這個結構技巧怎麼辦？”他說。 “我們能讓人造塑料具有同樣的性能嗎？”

這個問題帶來了突破。在發表於的一項研究中 自然化學顧和他在羅格斯大學的同事們已經證明，使用這種受自然啟發的方法可以使塑料在日常條件下降解，而不需要高溫或刺激性化學物質。

“我們希望解決現代塑料面臨的最大挑戰之一，”喬說。 “我們的目標是找到一種新的化學策略，使塑料在日常條件下自然降解，而不需要特殊處理。”

聚合物和化學鍵如何發揮作用？

聚合物由許多連接在一起的重複單元組成，就像繩子上的珠子一樣。塑料、DNA、RNA 和蛋白質都屬於這一類。 DNA 和 RNA 由稱為核苷酸的較小單位鏈組成，而蛋白質則由氨基酸構成。

將這些單元結合在一起的是化學鍵，它在分子水平上就像膠水一樣。在聚合物中，這些鍵將一個結構單元連接到另一個結構單元。牢固的粘合賦予塑料耐用性，但也使其在丟棄後難以分解。喬的研究重點是設計在使用過程中保持牢固但在降解時更容易斷裂的鍵。

具有內置弱點的可編程塑料

這項研究不僅僅使塑料可生物降解。使其故障可編程。

關鍵的發現涉及仔細排列塑料化學結構的各個部分，以便它們落入正確的位置，以便在打開時開始分解。顧將這個想法比作折疊一張紙，這樣它就可以沿著摺痕輕鬆撕破。通過在分子水平上有效地“預折疊”結構，塑料的分解速度比普通塑料快數千倍。

儘管存在這種脆弱性，但塑料的一般化學成分保持不變。這意味著它仍然強大且有益，直到降解被激活為止。

“更重要的是，我們發現這些相鄰基團的精確空間排列極大地改變了聚合物降解的速度，”顧說。 “通過控制它們的方向和位置，我們可以設計相同的塑料在幾天、幾個月甚至幾年內分解。”

將塑料的使用壽命與現實世界的用途相匹配

這種控制水平使得塑料能夠設計出適合其用途的使用壽命。食品包裝可能只需要使用一天，而汽車零部件則可以使用很多年。研究人員表明，分解可以從一開始就建立起來，也可以在以後使用紫外線或金屬離子激活。

潛在的應用不僅僅限於減少塑料污染。顧說，同樣的化學物質可以使膠囊或塗層能夠及時輸送藥物，並在一定時間後自行消失。

他說：“這項研究不僅為更環保的塑料打開了大門，而且還擴展了在許多領域設計智能、響應性聚合物基材料的工具包。”

安全測試和前進的方向

對於顧來說，長期願景很簡單。塑料必須完成它的工作然後消失。

“我們的策略提供了一種實用的、基於化學的方法來重新設計這些材料，以便它們在使用過程中仍然表現良好，但之後會自然降解，”他說。

早期的實驗室測試表明，塑料分解時產生的液體無毒，但顧強調還需要更多測試來確認其長期安全性。

回顧過去，顧說他對在一次平靜的旅行中產生的想法的成功感到驚訝。

“這是一個簡單的想法，模仿自然的結構來實現相同的目標，”他說。 “但看到它的成功真是令人難以置信。”

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顧和他的團隊現在正在進一步推動這項研究。他們仔細研究塑料分解後留下的小部件是否對生物體或生態系統構成任何風險，確保材料整個生命週期的安全。

他們還在探索如何將他們的化學方法應用於傳統塑料並集成到現有的製造工藝中。與此同時，他們正在測試這種方法是否可用於製造在嚴格控制的時間釋放藥物的膠囊。

儘管技術挑戰仍然存在，但 Joe 相信，持續的開發，再加上與註重可持續發展的塑料製造商的合作，可以將這種化學物質帶入日常產品中。

其他對這項研究做出貢獻的羅格斯大學科學家包括：Gu 實驗室的博士生 Shaozhen Yin，該論文的第一作者；王璐，化學與化學生物學系副教授；張睿，王實驗室博士生；名詞Sanjiva Murthy，生物材料研究實驗室副教授；周瑞豪，前訪問大學學生。