Новый растительный пластик решает проблему микропластика в океане
Японские исследователи разработали новый пластик на растительной основе, который разлагается в морской воде, не образуя микропластиков. Работа учёных под руководством Такудзо Аида из Центра изучения возникающих явлений в материи RIKEN (CEMS) предлагает инновационное решение проблемы пластикового загрязнения, используя химию, чувствительную к соли.
Пластиковое загрязнение демонстрирует удивительную устойчивость к быстрым решениям. Даже так называемые биоразлагаемые пластмассы часто сохраняются в окружающей среде, распадаясь на микропластик, который распространяется по экосистемам и живым организмам. Новый материал, описанный в исследовании, создан на основе целлюлозы, самого распространённого органического соединения на Земле. Он сочетает в себе прочность, гибкость и способность к быстрому разложению в естественных условиях, что приближает практическое применение экологичных пластиков.
Микропластик стал глобальным загрязнителем. Его обнаруживают в океанах, почвах, дикой природе, сельскохозяйственных культурах, а также в тканях и крови человека, где он может причинять вред. Многие биоразлагаемые пластмассы не решают проблему, так как медленно разрушаются в морской воде или фрагментируются на микропластик до полного разложения. Нынешние целлюлозные пластики также не разлагаются быстро в морской среде или требуют специальных промышленных условий. Команда Аида поставила цель создать пластик, который естественным образом реагирует на морскую воду без сложной обработки.
В основу разработки лёг принцип супрамолекулярного пластика, который растворялся в солёной воде за несколько часов, о чём учёные сообщали в прошлом году. Тот материал опирался на обратимые связи между двумя полимерами, которые разрушала соль. Однако ему не хватало механической прочности и технологичности для массового использования. Новый пластик усовершенствовал эту концепцию. Один полимер получен из карбоксиметилцеллюлозы, производного древесной массы, уже одобренного FDA и являющегося биоразлагаемым. Вторым ключевым компонентом стал безопасный сшивающий агент на основе положительно заряженных ионов полиэтиленимина гуанидина.
При смешивании в воде комнатной температуры отрицательно заряженная целлюлоза и положительно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя сшитую сетку, которая придаёт пластику прочность. В солёной воде эти солевые мостики разрушаются, запуская процесс разложения. Для предотвращения случайного разрушения при использовании производители могут наносить тонкое защитное поверхностное покрытие. Ранние версии материала были хрупкими. Учёные решили эту проблему, добавив пластификатор. После многочисленных испытаний оптимальным вариантом стал хлорид холина — пищевая добавка, одобренная FDA. Регулируя его количество, команда смогла точно настраивать гибкость материала. Пластик может оставаться жёстким и стеклообразным или растягиваться до 130 % от первоначальной длины, а также формировать прочные прозрачные плёнки толщиной всего 0,07 миллиметра.
Как подчёркивает Такудзо Аида, если первоначальное исследование было в основном концептуальным, то текущая работа демонстрирует выход на более практическую стадию. Новый материал, названный CMCSP, соответствует по прочности пластикам на нефтяной основе. Его свойства остаются регулируемыми без ущерба для прозрачности, технологичности, способности к разложению в морской воде или возможности переработки. Учёные также делают акцент на масштабируемости технологии. Природа производит около триллиона тонн целлюлозы ежегодно, и из этого обильного природного вещества был создан гибкий и прочный пластик, безопасно разлагающийся в океане. Широкое внедрение такого подхода может сократить загрязнение пластиком в самом его источнике, до того как он распадётся на невидимую глобальную проблему.
Исследование в журнале Journal of the American Chemical Society.