Зачем учёные создают саморазрушающийся пластик

Конспект статьи The New York Times об исследованиях в области полимеров.

Автор материала пишет, что каждый год в мире перерабатывают только 10% пластика. Поэтому загрязнение окружающей среды подтолкнуло учёных к созданию новых материалов с двумя взаимоисключающими свойствами: они должны быть прочными, но при этом разрушаться по команде.

Отправной точкой в создании пластика нового образца служит выбор нестабильных полимеров, на которые в прошлом не обращали внимания из-за их хрупкости. Задача учёных — сформировать из полимерных молекул длинные цепочки, «захватив в ловушку» полученное состояние. Таким образом и получается пластик.

Разрыв связей между цепочками называется деполимеризацией, для её начала материалу необходим импульс, например яркий свет, который использует доктор Адам Файнберг из Иллинойского университета.

Полимеры доктора Файнберга имеют кольчатую структуру. Сама по себе она стабильна, поэтому, чтобы сделать уже саморазрушающийся пластик, учёный смешивает материал со светочувствительным жёлтым красителем. Яркий свет, заряжая молекулы красителя, выбивает электроны из полимера.

Кольца разрываются, обнажая концы молекулярных цепочек, и материал распадается. Некоторые исследователи связывают полимеры, как бы запечатывая концы длинных цепочек или соединяя их в сети.

В теории пластик следующего поколения сможет частично разрешить проблемы пластиковых отходов. Частицы, оставшиеся после деполимеризации, можно собрать, отправить на химическую переработку и получить новое сырьё. Сегодня пластик переплавляют и заново формуют.

Тем не менее учёным необходимо создать не просто саморазрушающийся материал — он к тому же должен быть дешёвым и качественным. Однако заменить собой полиэтилен, полипропилен и полиуретан новый полимер, вероятно, не сможет, считает доктор Гиллис, отмечая крайнюю дешевизну упаковочного пластика.

Вместо этого исследователи обращают внимание на более ценные материалы вроде пены из полиуретана, которой наполняют матрасы и автомобильные кресла.

В 2016 году доктор Марк Хиллмайер и его коллеги из Миннесотского университета создали химически перерабатываемый полиуретан: из звеньев макромолекул, полученных из сахара, они сшили полиуретановую сеть. Пена остаётся стабильной при комнатной температуре, а распадается при нагревании до +200°C.

Использование химически перерабатываемых материалов может стать реальным, особенно если производители начнут брать ответственность за свои продукты и после окончания их срока службы, отмечает Хиллмайер. Если бы автомобильным компаниям, приводит пример учёный, приходилось утилизировать машины, появился бы смысл в постройке внутренней системы химической переработки, позволившей бы создавать новое сырьё из старого.

Кроме того, деструкция полимеров может пригодиться и в производстве клейких веществ, разработка которых также ведётся. Исследователи из Национального университета Чоннам в Южной Корее, смешав особый полимер с обычным дешёвым, получили клей, действие которого можно отменить с помощью фторида.

Несмотря на создание саморазрушающегося пластика и полностью перерабатываемых продуктов, потребителям по-прежнему придётся правильно сортировать мусор.

«Загрязнение происходит из-за того, что с отходами обходятся неправильно», — считает Стив Александр, глава Объединения переработчиков пластика. По его мнению, на сегодня аккуратный сбор и сортировка отходов остаются самыми насущными проблемами.

Решить эти задачи, по мнению Рамани Нараян, химика из Мичиганского университета, возможно, создав определённые зоны для мусора.

В целом, продолжает Нараян, биоразлагаемый пластик также оснащён механизмом саморазрушения, который активируется в определённой среде с нужными микроорганизмами. Но репутация подобных материалов, предполагает учёный, серьёзно пострадала из-за лживой рекламы и замешательства потребителей.

Компания Нараяна Natur-Tec производит одноразовые столовые приборы и пищевую упаковку из биоразлагаемого пластика, пытаясь вернуть ему статус безвредного материала.

Исследователи вроде доктора Гиллис уже сегодня занимаются созданием «умных» оболочек для точной доставки лекарств в организм, например к раковым опухолям, или удобрений, которые активизируются в нужное время.

Для применения в таких областях материал должен быть безвреден. Возможный кандидат — глиоксилат, встречающийся в почвенных микроорганизмах. На его основе команде доктора Гиллис удалось создать несколько полимеров, деполимеризацией которых можно управлять с помощью веществ на концах полимерных цепочек — одним нужен яркий свет, другим — среда с низким содержанием кислорода.

Доктор Джеффри Мур, научный руководитель Адама Файнберга, занимается исследованиями самовосстанавливающихся материалов. Он задумал создать крошечные капсулы, наполненные восстанавливающим агентом, и поместить их, для примера, в покрытие задней панели телефона. Среагировав на свет, пластик, из которого будут сделаны капсулы, распадётся, и трещины на панели заполнятся.

А пока до 400 млн тонн пластика выбрасывается каждый год — пластика, который задумывался износостойким и крепким, заключает Дженнет Гарсия, исследователь полимеров в IBM. Создание полимерного материала будущего задача очень важная. Однако не менее важно похожим образом, подчёркивает Гарсия, избавиться от уже существующих пластиковых отходов, в идеале разложив его на частицы.