Јувеј Гу је шетао државним парком Беар Моунтаин у Њујорку када му је пажњу привукао неочекивани призор. Пластичне флаше су биле разбацане дуж стазе, а више их је плутало преко оближњег језера. Видећи пластични отпад у таквом природном окружењу зауставило је хемичара из Рутгерса и покренуло његов ум.
Гу је почео да размишља о полимерима, дугим ланчаним молекулима који чине и природне материјале и модерну пластику. ДНК и РНК су полимери, као и протеини и целулоза. Разлика је у томе што се природни полимери на крају распадају, док синтетичка пластика често остаје у окружењу деценијама или дуже.
„Биологија свуда користи полимере, као што су протеини, ДНК, РНК и целулоза, али природа се никада не суочава са проблемима дугорочне акумулације које видимо код синтетичке пластике“, рекао је Гу, доцент на Одсеку за хемију и хемијску биологију у Рутгерс Сцхоол оф Артс анд Сциенцес.
Стојећи тамо у шуми, разлог му је одједном постао јасан.
„Разлика мора да лежи у хемији“, рекао је он.
Копирање уграђене излазне стратегије природе
Гу је схватио да ако природни полимери могу да обављају своју функцију, а затим нестану, пластика направљена од људи би могла да уради исто. Већ је знао да биолошки полимери садрже мале уграђене хемијске карактеристике које помажу да се њихове везе распадну у правом тренутку.
„Помислио сам, шта ако копирамо тај структурални трик?“ рекао је. „Да ли бисмо могли да учинимо да се пластика коју је направио човек понаша на исти начин?“
То питање је довело до искора. У студији објављеној у Натуре ЦхемистриГу и његове колеге из Рутгерса показали су да коришћење овог приступа инспирисаног природом омогућава разградњу пластике у свакодневним условима, без потребе за високом топлотом или јаким хемикалијама.
„Желели смо да се позабавимо једним од највећих изазова модерне пластике“, рекао је Гу. „Наш циљ је био да пронађемо нову хемијску стратегију која би омогућила да се пластика природно разгради у свакодневним условима без потребе за посебним третманима.“
Како функционишу полимери и хемијске везе
Полимери су направљени од много понављајућих јединица повезаних заједно, слично као перле на канапу. Пластика спада у ову категорију, као и ДНК, РНК и протеини. ДНК и РНК се састоје од ланаца мањих јединица познатих као нуклеотиди, док су протеини грађени од аминокиселина.
Оно што ове јединице држи заједно су хемијске везе, које делују као лепак на молекуларном нивоу. У полимерима, ове везе повезују један грађевински блок са другим. Јаке везе дају пластици издржљивост, али такође отежавају њено разбијање када се одбаци. Гуово истраживање се фокусирало на дизајнирање веза које остају јаке током употребе, али постају лакше раскинути касније када је деградација пожељна.
Програмабилне пластике са уграђеним слабим тачкама
Ово истраживање чини више од тога да пластику чини разградљивом. То чини њихов квар програмабилним.
Кључно откриће укључивало је пажљиво распоређивање делова хемијске структуре пластике тако да седе у правим положајима да почну да се распадају када се активирају. Гу упоређује идеју са савијањем комада папира тако да се лако цепа дуж набора. Ефикасним „пресклапањем“ структуре на молекуларном нивоу, пластика се може распасти хиљадама пута брже него иначе.
Упркос овој уграђеној рањивости, укупни хемијски састав пластике остаје непромењен. То значи да остаје јак и користан све док се деградација не активира.
„Оно што је најважније, открили смо да тачан просторни распоред ових суседних група драматично мења брзину деградације полимера“, рекао је Гу. „Контролом њихове оријентације и позиционирања, можемо конструисати исту пластику да се разбије данима, месецима или чак годинама.
Усклађивање животног века пластике са употребом у стварном свету
Овај ниво контроле омогућава да се пластика дизајнира са животним веком који одговара њиховој сврси. Паковање хране можда треба да траје само један дан, док аутомобилске компоненте морају да издрже много година. Истраживачи су показали да се деградација може уградити од самог почетка или активирати касније помоћу ултраљубичастог светла или металних јона.
Потенцијалне примене се протежу и даље од смањења загађења пластиком. Гу је рекао да би иста хемија могла да доведе до темпираних капсула за испоруку лекова или премаза који се сами бришу након одређеног периода.
„Ово истраживање не само да отвара врата еколошки одговорнијој пластици, већ и проширује кутију алата за дизајнирање паметних материјала на бази полимера који реагују у многим областима“, рекао је он.
Тестирање безбедности и пут који је пред нама
За Гуа, дугорочна визија је једноставна. Пластика треба да одради свој посао и онда нестане.
„Наша стратегија пружа практичан начин заснован на хемији за редизајнирање ових материјала како би и даље могли добро да раде током употребе, али се потом природно распадају“, рекао је он.
Рани лабораторијски тестови показују да течност произведена када се пластика распадне није токсична, иако је Гу нагласио да су потребна даља испитивања како би се потврдила дугорочна безбедност.
Осврћући се уназад, Гу је рекао да је изненађен што је идеја настала током тихог пешачења заиста успела.
„Била је то једноставна мисао, копирати структуру природе да би се постигао исти циљ“, рекао је он. „Али видети да је успео било је невероватно.“
Проширивање истраживања
Гу и његов тим сада гурају даље истраживање. Они помно истражују да ли мали фрагменти заостали након распада пластике представљају било какав ризик за живе организме или екосистеме, осигуравајући сигурност током читавог животног циклуса материјала.
Они такође истражују како би се њихов хемијски приступ могао применити на конвенционалну пластику и интегрисати у постојеће производне процесе. Истовремено, они тестирају да ли се метода може користити за прављење капсула које ослобађају лекове у пажљиво контролисаним временима.
Иако технички изазови остају, Гу верује да би континуирани развој, заједно са сарадњом са произвођачима пластике фокусираним на одрживост, могао да унесе ову хемију у свакодневне производе.
Други Рутгерс научници који су допринели студији су: Схаозхен Иин, докторант у лабораторији Гу, који је први аутор рада; Лу Ванг, ванредни професор на Катедри за хемију и хемијску биологију; Руи Зханг, студент докторских студија у Ванговој лабораторији; Н. Сањеева Муртхи, ванредни професор у Лабораторији за истраживање биоматеријала; и Руихао Џоу, бивши гостујући студент основних студија.
