O echipă de cercetare comună din Marea Britanie și SUA ar fi găsit o soluție dulce pentru poluarea cu plastic.
Oamenii de știință de la Universitatea din Birmingham și Duke University spun că au dezvoltat o soluție pentru una dintre problemele majorității materialelor plastice sustenabile. Aceste alternative la materialele plastice petrochimice tind să fie fragile și, în general, au o gamă restrânsă de proprietăți.
„Pentru a schimba proprietățile, chimiștii trebuie să modifice fundamental compoziția chimică a plasticului, adică să-l reproiecteze”, a declarat într-un e-mail pentru PlanetaNoastra co-autorul studiului, Josh Worch de la Școala de Chimie din Birmingham.
Dar Worch și echipa sa cred că au găsit o alternativă mai flexibilă folosind alcooli din zahăr, pe care au anunțat-o într-o lucrare recentă publicată în Journal of the American Chemical Society.
„Munca noastră arată că poți schimba un material de la plastic la elastic prin simpla utilizare a moleculelor de forme diferite obținute din aceeași sursă de zahăr”, spune Worch. „Capacitatea de a accesa aceste proprietăți cu adevărat diferite de la materiale cu aceeași compoziție chimică este fără precedent.”
Nivel ridicat de zahăr
Alcoolii din zahăr sunt blocuri bune pentru materiale plastice, în parte deoarece prezintă o trăsătură numită stereochimie. Aceasta înseamnă că pot forma legături chimice care au orientări tridimensionale diferite, dar aceeași compoziție chimică, sau același număr de atomi component diferiți. Aceasta este de fapt o caracteristică care diferențiază zaharurile de materialele pe bază de petrol, care nu au această trăsătură.
În cazul noii cercetări, oamenii de știință au creat polimeri din izoidid și izomanid, doi compuși obținuți din alcool din zahăr, explică un comunicat de presă al Universității din Birmingham. Acești compuși au aceeași compoziție, dar orientări tridimensionale diferite și acest lucru a fost suficient pentru a obține polimeri cu proprietăți foarte diferite. Polimerul pe bază de izoidid a fost atât rigid, cât și maleabil, ca materialele plastice obișnuite, în timp ce polimerul pe bază de izomanid a fost elastic și flexibil, ca cauciucul.
„Descoperirile noastre demonstrează cu adevărat cum stereochimia poate fi utilizată ca temă centrală pentru a proiecta materiale sustenabile cu proprietăți mecanice cu adevărat fără precedent”, a declarat în comunicatul de presă co-autorul studiului și profesor la Duke University, Matthew Becker.
O poveste despre doi polimeri
Fiecare dintre cei doi polimeri are caracteristici unice care i-ar putea face potențial utili în lumea reală. Polimerul pe bază de izoidid este ductil ca Polietilena de Înaltă Densitate (HDPE), care este utilizată, printre altele, pentru cartoane de lapte și ambalaje. Acest lucru înseamnă că se poate întinde foarte mult înainte de a se rupe. Cu toate acestea, are și rezistența nailonului, care este folosit, de exemplu, în echipamentele de pescuit.
Polimerul pe bază de izomanid acționează mai mult ca cauciucul. Adică, devine mai rezistent cu cât este întins mai mult, dar apoi poate reveni la lungimea sa inițială. Acest lucru îl face similar cu benzile elastice, anvelopele sau materialul folosit pentru a face adidași.
„Teoretic, ar putea fi potențial utilizați în oricare dintre aceste aplicații, dar ar necesita teste mecanice mai riguroase înainte ca potrivirea lor să poată fi confirmată”, declară Worch pentru PlanetaNoastra.
Deoarece cei doi polimeri au o compoziție chimică atât de similară, ar putea fi, de asemenea, amestecați cu ușurință pentru a crea alternative de plastic cu caracteristici îmbunătățite sau pur și simplu diferite, subliniază comunicatul de presă.
Cu toate acestea, pentru ca o alternativă de plastic să fie cu adevărat sustenabilă, nu este suficient să fie utilă. Trebuie să fie și reutilizabilă și, dacă ajunge în mediu, să prezinte un risc mai mic decât materialele plastice derivate din combustibili fosili.
În ceea ce privește reciclarea, cei doi polimeri pot fi reciclați similar cu HDPE sau Polietilen tereftalat (PET). Structurile lor chimice similare ajută și la acest lucru.
„Capacitatea de a amesteca acești polimeri pentru a crea materiale utile oferă un avantaj distinct în reciclare, care adesea trebuie să gestioneze fluxuri amestecate”, spune Worch în comunicatul de presă.
Biodegradabil vs. degradabil
Cu toate acestea, doar nouă la sută din totalul deșeurilor de plastic produse vreodată a fost reciclat, conform Programului Națiunilor Unite pentru Mediu. Încă 12% a fost incinerat, în timp ce un alarmant 79% a zăcut în depozite, gropi de gunoi sau în mediul natural. Aspectul alarmant al deșeurilor de plastic este că pot persista secole, descompunându-se doar în particule mai mici, sau microplastice, care își croiesc drum în lanțul trofic de la animale mai mici la cele mai mari, până ajung în farfuriile noastre.
Afirmația făcută pentru materialele plastice naturale sau sustenabile este că ar dispărea mai repede, dar ce înseamnă cu adevărat acest lucru? Un studiu din 2019 a scufundat o sacoșă de cumpărături prezentată ca fiind biodegradabilă în mediul marin timp de trei ani și a constatat că, după aceea, încă putea transporta o încărcătură completă de alimente.
O parte a problemei constă în termenul „biodegradabil” în sine, explică co-autorul studiului, Connor Stubbs de la Școala de Chimie din Birmingham, într-un e-mail pentru PlanetaNoastra.
„Biodegradabilitatea este un concept adesea interpretat greșit, chiar și în cercetarea chimiei și a materialelor plastice!”, spune Stubbs. „Dacă un material este biodegradabil, atunci trebuie să se descompună în cele din urmă în biomasă, dioxid de carbon și apă prin acțiunea microorganismelor, bacteriilor și ciupercilor. Dacă sunt lăsate suficient de mult timp, unele materiale plastice actuale ar putea ajunge în cele din urmă aproape de acest punct, dar ar putea dura sute sau mii de ani și probabil se va întâmpla doar după fragmentarea în microplastice (de unde și situația noastră actuală!).”
Autorii studiului consideră că degradabil este un termen mai precis și acesta este cuvântul pe care l-au folosit pentru a descrie polimerii lor pe bază de zahăr.
Determinarea cât de degradabilă este cu adevărat o anumită alternativă de plastic adaugă un alt strat de dificultate. Cât de repede se descompune poate depinde de faptul dacă ajunge în ocean sau în sol, de temperatura mediului înconjurător și de tipul de microorganisme pe care le întâlnește.
„Este poate cea mai mare provocare în cercetarea materialelor plastice să proiectezi un standard/protocol robust și universal pentru măsurarea modului în care materialele plastice se degradează într-un interval de timp rezonabil”, spune Stubbs.
Autorii studiului au evaluat degradabilitatea polimerilor lor prin efectuarea de experimente pe materialele lor plastice în ape alcaline, combinând acest lucru cu date despre alte materiale plastice care se degradează în mediu și folosind modele matematice pentru a estima cât de bine s-ar descompune polimerii zaharoși în apa de mare.
„Polimerii noștri au fost estimați să se degradeze cu un ordin de mărime mai repede decât unele dintre principalele materiale plastice sustenabile (degradabile), dar modelele se vor lupta întotdeauna să capteze toți factorii care pot influența degradabilitatea”, spune Stubbs.
Echipa de cercetare lucrează acum la testarea cât de bine se vor degrada polimerii în mediu fără ajutorul modelării, dar acest lucru ar putea dura luni sau ani pentru a fi determinat. De asemenea, doresc să extindă gama de medii în care materialele plastice s-ar putea degrada.
„Am petrecut timp în acest proiect examinând și modelând aceste materiale degradabile în medii apoase (adică oceanul), dar o îmbunătățire viitoare ar fi să ne asigurăm că materialele pot fi degradate pe uscat, posibil prin compostare”, spune Stubbs. „Mai general, am avut unele rezultate promițătoare în crearea de materiale plastice care se pot degrada prin lumina soarelui (materiale plastice fotodegradabile) și pe termen lung am dori să încorporăm această tehnologie în alte materiale plastice.”
Ce urmează?
Pe lângă evaluarea și îmbunătățirea degradabilității lor, există multe alte modalități prin care cercetătorii speră să îmbunătățească acești polimeri pe bază de zahăr înainte ca aceștia să poată începe să înlocuiască materialele plastice petrochimice.
În primul rând, cercetătorii speră să îmbunătățească reciclabilitatea polimerilor și să le prelungească durata de viață. În prezent, încep să funcționeze puțin mai puțin bine după ce au fost reciclați de două ori.
În ceea ce privește producția inițială a polimerilor, cercetătorii au două obiective principale:
- Creating a greener, less energy-intensive system using reusable chemicals.
- Scaling up from synthesizing tens of grams to kilograms.
„În cele din urmă, transpunerea acestui lucru la scară comercială (sute de kilograme, tone și mai mult) ar necesita colaborări industriale, dar suntem foarte deschiși să căutăm parteneriate”, declară Worch pentru PlanetaNoastra.
Universitatea din Birmingham Enterprise și Duke University au depus deja un brevet comun pentru polimerii lor, a declarat comunicatul de presă.
„Acest studiu arată cu adevărat ce este posibil cu materialele plastice sustenabile”, a declarat în comunicatul de presă co-autorul și liderul echipei de cercetare de la Universitatea din Birmingham, profesorul Andrew Dove. „Deși trebuie să facem mai multă muncă pentru a reduce costurile și a studia impactul potențial asupra mediului al acestor materiale, pe termen lung este posibil ca aceste tipuri de materiale să poată înlocui materialele plastice provenite din surse petrochimice care nu se degradează ușor în mediu.”
