«Έξυπνα» πλαστικά με ημερομηνία λήξης: Το χημικό τρικ που υπόσχεται το τέλος της ρύπανσης

Η ανθρωπότητα βρίσκεται αντιμέτωπη με ένα παράδοξο: κατασκευάζουμε υλικά που χρησιμοποιούνται για λίγα λεπτά, αλλά παραμένουν στο περιβάλλον για αιώνες. Τα λεγόμενα «παντοτινά πλαστικά» (forever plastics) αποτελούν έναν από τους μεγαλύτερους περιβαλλοντικούς πονοκεφάλους του 21ου αιώνα. Ωστόσο, μια νέα επιστημονική ανακάλυψη έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα, προτείνοντας μια λύση που δεν απαιτεί περίπλοκες εγκαταστάσεις ανακύκλωσης ή τοξικά χημικά, αλλά βασίζεται στην ίδια τη μοριακή αρχιτεκτονική των υλικών.

Ερευνητές από το Τμήμα Χημείας και Χημικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου Rutgers, με επικεφαλής τον καθηγητή Yuwei Gu, ανέπτυξαν μια μέθοδο δημιουργίας συνθετικών πολυμερών που μπορούν να διατηρούν την αντοχή τους κατά τη χρήση, αλλά να διασπώνται πλήρως όταν ενεργοποιηθεί ο κατάλληλος μηχανισμός. Το εύρημα, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο έγκριτο περιοδικό Nature Chemistry, ανοίγει τον δρόμο για πλαστικά που είναι «προγραμματισμένα» να εξαφανίζονται.

Η έμπνευση γεννήθηκε σε μια πεζοπορία

Όλα ξεκίνησαν από μια απλή παρατήρηση. Κατά τη διάρκεια μιας πεζοπορίας στο κρατικό πάρκο Bear Mountain της Νέας Υόρκης, ο Yuwei Gu βρέθηκε μπροστά σε ένα συνηθισμένο αλλά αποκαρδιωτικό θέαμα: πλαστικά μπουκάλια πεταμένα στη φύση, ανέπαφα από τον χρόνο, δίπλα σε οργανική ύλη που αποσυντιθόταν φυσιολογικά.

«Αν η φύση μπορεί να δημιουργήσει πολυμερή – όπως το DNA και οι πρωτεΐνες – που εξυπηρετούν τον σκοπό τους και στη συνέχεια αποσυντίθενται, γιατί να μην μπορούμε να κάνουμε το ίδιο με τα τεχνητά πλαστικά;» αναρωτήθηκε ο ερευνητής. Η φύση χρησιμοποιεί μικροσκοπικά δομικά στοιχεία μέσα στα μόρια που διευκολύνουν το σπάσιμο των δεσμών όταν έρθει η ώρα. Αυτή η σκέψη οδήγησε την ομάδα του Rutgers να προσπαθήσει να αντιγράψει το «δομικό τρικ» της βιολογίας στα εργαστήρια χημείας.

Το μυστικό κρύβεται στο «τσάκισμα»

Η καινοτομία της ομάδας του Gu δεν βασίζεται στην αλλαγή των βασικών συστατικών του πλαστικού, αλλά στη γεωμετρία τους. Για να εξηγήσει τη μέθοδο, ο καθηγητής χρησιμοποιεί μια απλή αναλογία: «Φανταστείτε ένα φύλλο χαρτί. Αν προσπαθήσετε να το σκίσετε τυχαία, είναι δύσκολο να πετύχετε ευθεία γραμμή. Αν όμως το τσακίσετε πρώτα, δημιουργώντας μια πτυχή, το χαρτί θα σκιστεί εύκολα και με ακρίβεια πάνω σε αυτή τη γραμμή».

Αυτό ακριβώς κατάφεραν οι ερευνητές σε μοριακό επίπεδο. Τοποθέτησαν στρατηγικά συγκεκριμένες χημικές ομάδες μέσα στην αλυσίδα του πολυμερούς, οι οποίες λειτουργούν ως «μοριακές πτυχές». Αυτές οι ομάδες δεν επηρεάζουν την αντοχή του υλικού όσο αυτό χρησιμοποιείται. Ωστόσο, όταν ενεργοποιηθούν – είτε με το πέρασμα του χρόνου, είτε με την έκθεση σε φως ή συγκεκριμένα ιόντα – λειτουργούν ως καταλύτες που κόβουν τους δεσμούς του πλαστικού, οδηγώντας στην πλήρη διάσπασή του.

Πλαστικά με χρονοδιακόπτη

Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της έρευνας είναι η δυνατότητα «προγραμματισμού» της διάρκειας ζωής του υλικού. Ρυθμίζοντας τη χωρική διάταξη αυτών των γειτονικών χημικών ομάδων, οι επιστήμονες μπορούν να καθορίσουν εκ των προτέρων πότε θα αρχίσει η αποσύνθεση.

«Το σημαντικότερο εύρημά μας είναι ότι η ακριβής τοποθέτηση αυτών των ομάδων στον χώρο αλλάζει δραματικά την ταχύτητα διάσπασης του πολυμερούς», δηλώνει ο Gu. «Ελέγχοντας τον προσανατολισμό και τη θέση τους, μπορούμε να σχεδιάσουμε το ίδιο πλαστικό ώστε να διασπαστεί σε ημέρες, μήνες ή ακόμη και χρόνια».

Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να έχουμε συσκευασίες τροφίμων σχεδιασμένες να διασπώνται λίγο μετά την ημερομηνία λήξης του προϊόντος, ενώ εξαρτήματα αυτοκινήτων από το ίδιο βασικό υλικό θα μπορούσαν να αντέξουν για δεκαετίες πριν οδηγηθούν στην ανακύκλωση.

Μια λύση χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης

Σε αντίθεση με τις σημερινές μεθόδους ανακύκλωσης, που συχνά απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες και ενεργοβόρες διαδικασίες, η τεχνολογία του Rutgers επιτρέπει τη διάσπαση σε φυσιολογικές συνθήκες περιβάλλοντος. Τα πειράματα έδειξαν ότι τα νέα αυτά πολυμερή μπορούν να αποσυντεθούν πλήρως χωρίς να αφήσουν επιβλαβή κατάλοιπα.

Επιπλέον, η μέθοδος είναι συμβατή με τις υπάρχουσες βιομηχανικές πρακτικές, γεγονός που την καθιστά ελκυστική για μαζική παραγωγή. Η ομάδα ερευνά ήδη πώς αυτή η χημική προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί σε ευρέως χρησιμοποιούμενα εμπορικά πλαστικά, όπως το πολυαιθυλένιο και το πολυπροπυλένιο.

Το μέλλον των υλικών

Η ανακάλυψη αυτή δεν περιορίζεται μόνο στη διαχείριση απορριμμάτων. Ο Gu οραματίζεται εφαρμογές που εκτείνονται από την ιατρική, με κάψουλες φαρμάκων που απελευθερώνουν την ουσία σε συγκεκριμένο χρόνο, μέχρι «έξυπνες» επικαλύψεις που αφαιρούνται μόνες τους όταν δεν χρειάζονται πια.

«Η στρατηγική μας προσφέρει έναν πρακτικό, χημικό τρόπο επανασχεδιασμού αυτών των υλικών», καταλήγει ο καθηγητής. «Στόχος είναι τα πλαστικά να αποδίδουν τα μέγιστα κατά τη χρήση τους και στη συνέχεια να εξαφανίζονται φυσικά, χωρίς να επιβαρύνουν τον πλανήτη».

Σε μια περίοδο που η συζήτηση για την κλιματική κρίση και τη ρύπανση των ωκεανών κυριαρχεί, η έρευνα του Πανεπιστημίου Rutgers προσφέρει μια απτή απόδειξη ότι η λύση μπορεί να βρίσκεται στην επιστροφή στις βασικές αρχές της χημείας και στην προσεκτική παρατήρηση των μηχανισμών της φύσης.