Yuwei Gu wędrował przez Bear Mountain State Park w Nowym Jorku, gdy nagle natchnienie go ogarnęło. Plastikowe butelki zaśmiecały szlak, a kolejne unosiły się na pobliskim jeziorze. Ten wstrząsający widok w tak dziewiczym środowisku sprawił, że chemik z Rutgers zatrzymał się w miejscu. Natura wytwarza mnóstwo długoniciowych cząsteczek zwanych polimerami, w tym DNA i RNA, jednak te naturalne polimery z czasem ulegają rozpadowi. Polimery syntetyczne, takie jak tworzywa sztuczne, nie ulegają rozkładowi. Dlaczego?
Gdy tak stał w lesie, odpowiedź przyszła mu do głowy.
„Różnica musi tkwić w chemii” – powiedział.
Gu argumentował, że skoro natura potrafi tworzyć polimery, które spełniają swoje zadanie, a potem znikają, być może tworzywa sztuczne wytwarzane przez człowieka mogłyby robić to samo. Gu wiedział już, że naturalne polimery zawierają w swojej strukturze maleńkie grupy pomocnicze, które ułatwiają rozrywanie wiązań chemicznych w odpowiednim momencie.
„Pomyślałem, co by było, gdybyśmy skopiowali tę sztuczkę strukturalną?” – powiedział. „Czy moglibyśmy sprawić, by tworzywa sztuczne wytworzone przez człowieka zachowywały się tak samo?”
Pomysł zadziałał. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Nature Chemistry ” Gu i zespół naukowców z Rutgers wykazali, że zapożyczając tę zasadę z natury, mogą tworzyć tworzywa sztuczne, które rozkładają się w codziennych warunkach, bez użycia ciepła i agresywnych chemikaliów.
„Chcieliśmy zmierzyć się z jednym z największych wyzwań stojących przed współczesnymi tworzywami sztucznymi” – powiedział Gu. „Naszym celem było znalezienie nowej strategii chemicznej, która pozwoliłaby tworzywom sztucznym ulegać naturalnej degradacji w codziennych warunkach, bez konieczności stosowania specjalnych środków”.
Polimer to substancja zbudowana z wielu powtarzających się jednostek połączonych ze sobą jak koraliki na sznurku. Tworzywa sztuczne są polimerami, podobnie jak materiały naturalne, takie jak DNA, RNA i białka. DNA i RNA są polimerami, ponieważ są długimi łańcuchami mniejszych jednostek zwanych nukleotydami. Białka są polimerami zbudowanymi z aminokwasów.
Ten postęp technologiczny nie tylko sprawia, że tworzywa sztuczne stają się biodegradowalne: sprawia on, że proces ten staje się programowalny.
Kluczem do odkrycia było to, w jaki sposób naukowcy ułożyli składniki struktury chemicznej tworzywa sztucznego, tak aby znajdowały się w idealnym położeniu, umożliwiającym im rozpoczęcie rozkładu w momencie zadziałania bodźca.
Proces ten można porównać do składania kartki papieru, tak aby łatwo rozerwała się wzdłuż zagięcia. Dzięki „wstępnemu złożeniu” struktury, plastik może rozpaść się tysiące razy szybciej niż normalnie. Chociaż plastik łatwiej rozbić po aktywacji, jego podstawowy skład chemiczny pozostaje taki sam, dzięki czemu pozostaje wytrzymały i użyteczny do momentu, gdy użytkownik zechce go zniszczyć.
„Co najważniejsze, odkryliśmy, że dokładny układ przestrzenny tych sąsiadujących grup radykalnie zmienia szybkość degradacji polimeru” – powiedział Gu. „Kontrolując ich orientację i położenie, możemy zaprojektować ten sam plastik tak, aby rozkładał się przez dni, miesiące, a nawet lata”.
Ta możliwość precyzyjnego dostrajania oznacza, że różne produkty mogą mieć okres przydatności do użycia dopasowany do ich przeznaczenia. Opakowania żywności na wynos mogą wystarczyć na jeden dzień, zanim się rozpadną, podczas gdy części samochodowe muszą przetrwać lata. Zespół wykazał, że proces rozpadu może być wbudowany w konstrukcję lub można go włączyć lub wyłączyć za pomocą światła ultrafioletowego lub jonów metalu, co dodaje kolejny poziom kontroli.
Implikacje wykraczają poza rozwiązanie globalnego kryzysu związanego z plastikiem. Gu powiedział, że ta zasada może umożliwić innowacje, takie jak kapsułki o przedłużonym uwalnianiu leku i samozmywające się powłoki.
„Te badania nie tylko otwierają drogę do bardziej przyjaznych dla środowiska tworzyw sztucznych, ale także poszerzają zestaw narzędzi do projektowania inteligentnych, responsywnych materiałów na bazie polimerów w wielu dziedzinach” – powiedział.
Dla Gu ostateczny cel jest jasny: tworzywa sztuczne powinny spełniać swoje zadanie, a następnie zniknąć.
„Nasza strategia oferuje praktyczne, oparte na chemii podejście do przeprojektowywania tych materiałów, dzięki któremu nadal będą dobrze spełniać swoją funkcję podczas użytkowania, ale po pewnym czasie ulegną naturalnemu rozkładowi” – powiedział.
Wczesne testy laboratoryjne wykazały, że płyn powstały w wyniku rozkładu nie jest toksyczny. Gu powiedział jednak, że konieczne są dalsze badania, aby się upewnić, że tak jest.
Wracając pamięcią do tamtych wydarzeń, Gu przyznał, że był zaskoczony, iż pomysł, który zrodził się w jego głowie na spokojnym górskim szlaku, faktycznie zadziałał.
„To była prosta myśl – skopiować strukturę natury, by osiągnąć ten sam cel” – powiedział. „Ale zobaczenie, jak się to udaje, było niesamowite”.
Gu i jego zespół rozwijają obecnie swoje badania w kilku nowych kierunkach.
Szczegółowo badają, czy drobne cząsteczki, na które rozkładają się tworzywa sztuczne, są szkodliwe dla organizmów żywych i środowiska. Pomoże to upewnić się, że materiały są bezpieczne przez cały cykl życia.
Pozostaje jeszcze kilka wyzwań natury technicznej, ale Gu stwierdził, że dzięki dalszemu rozwojowi oraz współpracy z producentami tworzyw sztucznych, którzy rozumieją potrzebę stosowania zrównoważonych tworzyw sztucznych, ich właściwości chemiczne będzie można z czasem wykorzystać w produktach codziennego użytku.
