Ювей Гу прогулювався через державний парк Ведмежа гора в Нью-Йорку, коли його увагу привернуло несподіване видовище. Пластикові пляшки були розкидані вздовж стежки, а ще більше їх дрейфували по сусідньому озеру. Побачивши пластикові відходи в такому природному середовищі, хімік з Рутгерського університету здригнувся і зміг швидко замислитися.
Гу почав думати про полімери, довгі ланцюгоподібні молекули, з яких складаються як природні матеріали, так і сучасні пластики. ДНК і РНК є полімерами, як і білки та целюлоза. Різниця полягає в тому, що природні полімери зрештою руйнуються, тоді як синтетичні пластмаси часто залишаються в навколишньому середовищі десятиліттями або довше.
«Біологія використовує полімери всюди, такі як білки, ДНК, РНК і целюлоза, проте природа ніколи не стикається з такими проблемами довгострокового накопичення, як ми бачимо з синтетичними пластмасами», — сказав Гу, доцент кафедри хімії та хімічної біології в Школі мистецтв і наук Рутгерса.
Стоячи там у лісі, причина раптом стала для нього зрозумілою.
«Різниця має полягати в хімії», — сказав він.
Копіювання вбудованої природної стратегії виходу
Гу зрозумів, що якщо природні полімери можуть виконувати свою функцію, а потім зникати, то штучні пластмаси можуть робити те саме. Він уже знав, що біологічні полімери містять невеликі вбудовані хімічні особливості, які допомагають їхнім зв’язкам розриватися в потрібний момент.
«Я подумав, що, якби ми скопіювали цей структурний трюк?» — сказав він. «Чи можемо ми зробити так, щоб штучні пластики поводилися так само?»
Це питання призвело до прориву. У дослідженні, опублікованому в Nature Chemistry, Гу та його колеги з Університету Рутгерса показали, що використання цього натхненного природою підходу дозволяє пластикам розкладатися в повсякденних умовах, не вимагаючи високої температури чи агресивних хімікатів.
«Ми хотіли вирішити одну з найбільших проблем сучасних пластиків», — сказав Гу. «Нашою метою було знайти нову хімічну стратегію, яка дозволила б пластикам розкладатися природним чином у повсякденних умовах без необхідності спеціальної обробки».
Як працюють полімери та хімічні зв’язки
Полімери складаються з багатьох повторюваних одиниць, з’єднаних між собою, подібно до намистинок на нитці. Пластики належать до цієї категорії, як і ДНК, РНК та білки. ДНК та РНК складаються з ланцюгів менших одиниць, відомих як нуклеотиди, тоді як білки побудовані з амінокислот.
Ці одиниці об’єднують хімічні зв’язки, які діють як клей на молекулярному рівні. У полімерах ці зв’язки з’єднують один будівельний блок з наступним. Міцні зв’язки надають пластику довговічності, але вони також ускладнюють його руйнування після утилізації. Дослідження Гу зосереджувалися на розробці зв’язків, які залишаються міцними під час використання, але їх легше розірвати пізніше, коли потрібна деградація.
Програмовані пластики з вбудованими слабкими місцями
Це дослідження робить більше, ніж просто робить пластики біорозкладними. Воно робить їх розкладання програмованим.
Ключове відкриття полягало в ретельному розташуванні частин хімічної структури пластику таким чином, щоб вони знаходилися в потрібних положеннях, щоб почати руйнуватися при спрацьовуванні. Гу порівнює цю ідею зі складанням аркуша паперу, щоб він легко рвався вздовж складки. Завдяки ефективному «попередньому складанню» структури на молекулярному рівні, пластик може розпадатися в тисячі разів швидше, ніж зазвичай.
Незважаючи на цю вбудовану вразливість, загальний хімічний склад пластику залишається незмінним. Це означає, що він залишається міцним і корисним до моменту активації деградації.
«Найголовніше, ми виявили, що точне просторове розташування цих сусідніх груп різко змінює швидкість деградації полімеру», — сказав Гу. «Контролюючи їхню орієнтацію та положення, ми можемо створити той самий пластик, який розкладається протягом днів, місяців або навіть років».
Зіставлення терміну служби пластику з реальним використанням
Цей рівень контролю дозволяє розробляти пластики з термінами служби, які відповідають їхньому призначенню. Харчова упаковка може прослужити лише один день, тоді як автомобільні компоненти повинні витримувати багато років. Дослідники показали, що деградація може бути вбудована з самого початку або активована пізніше за допомогою ультрафіолетового світла або іонів металів.
Потенційне застосування виходить далеко за рамки зменшення забруднення пластиком. Гу сказав, що та сама хімія може призвести до створення капсул із запланованою доставкою ліків або покриттів, які стираються через певний період.
«Це дослідження не лише відкриває двері до більш екологічно відповідальних пластмас, але й розширює інструментарій для розробки розумних, чутливих матеріалів на основі полімерів у багатьох галузях», – сказав він.
Тестування безпеки та шлях уперед
Для Гу довгострокове бачення просте. Пластик має виконувати свою функцію, а потім зникнути.
«Наша стратегія пропонує практичний, хімічно обґрунтований спосіб переробки цих матеріалів, щоб вони все ще могли добре працювати під час використання, але потім розкладалися природним шляхом», – сказав він.
Ранні лабораторні випробування показують, що рідина, яка утворюється під час розкладання пластику, не є токсичною, хоча Гу наголосив, що для підтвердження довгострокової безпеки необхідні подальші випробування.
Озираючись назад, Гу сказав, що був здивований, що ідея, що виникла під час тихої прогулянки, насправді спрацювала.
«Це була проста думка – скопіювати структуру природи для досягнення тієї ж мети», – сказав він. «Але побачити, як це вдавалося, було неймовірно».
Розширення досліджень
Гу та його команда зараз просувають дослідження далі. Вони ретельно вивчають, чи становлять невеликі фрагменти, що залишаються після розпаду пластику, будь-який ризик для живих організмів або екосистем, забезпечуючи безпеку протягом усього життєвого циклу матеріалу.
Вони також досліджують, як їхній хімічний підхід можна застосувати до звичайних пластмас та інтегрувати в існуючі виробничі процеси. Водночас вони перевіряють, чи можна використовувати цей метод для створення капсул, які вивільняють ліки у ретельно контрольований час.
Хоча технічні проблеми залишаються, Гу вважає, що подальший розвиток, а також співпраця з виробниками пластмас, зосередженими на сталому розвитку, можуть впровадити цю хімію у повсякденні продукти.
Серед інших науковців Рутгерського університету, які зробили свій внесок у дослідження, були: Шаочжень Інь, докторант лабораторії Гу, який є першим автором статті; Лу Ван, доцент кафедри хімії та хімічної біології; Руї Чжан, докторант лабораторії Ван; Н. Санджіва Муртхі, доцент-науковий співробітник Лабораторії досліджень біоматеріалів; та Руїхао Чжоу, колишній запрошений студент бакалаврату.
