Идея революционного открытия пришла к химику Ювэю Гу из Ратгерского университета во время прогулки по парку. Вид пластиковых бутылок, разбросанных по тропе и плавающих в озере, заставил его задуматься о фундаментальном различии между полимерами в природе и теми, что созданы человеком. Природные полимеры, такие как ДНК, белки и целлюлоза, со временем распадаются, в то время как синтетический пластик может оставаться в окружающей среде десятилетиями.
«Биология повсеместно использует полимеры, но природа никогда не сталкивается с проблемами их накопления, которые мы наблюдаем с синтетическими пластиками», – отмечает Гу. Ответ, по его мнению, крылся в химии. Природные полимеры содержат встроенные химические механизмы, которые позволяют им разрушаться в нужный момент. Ученый задался вопросом: можно ли скопировать эту «стратегию выхода» и научить искусственные материалы вести себя так же?
Это предположение привело к прорыву, результаты которого опубликованы в журнале Nature Chemistry. Команда ученых под руководством Гу продемонстрировала, что, вдохновившись природой, можно заставить пластик разлагаться в обычных условиях – без необходимости в высоких температурах или агрессивных химикатах. Их целью было найти новый химический подход, который позволил бы материалам деградировать естественным путем после использования.
Полимеры состоят из множества повторяющихся звеньев, словно бусины на нитке. Прочность пластика обеспечивают крепкие химические связи между этими звеньями, но именно они делают его устойчивым к разложению. Исследование было сосредоточено на создании связей, которые остаются прочными во время эксплуатации, но легко разрушаются, когда материал больше не нужен. Ключевое открытие заключалось в особом расположении химических групп в структуре пластика, которое действует как «линия сгиба» на листе бумаги, облегчая разрыв.
Благодаря этому методу скорость распада материала увеличивается в тысячи раз, при этом его общая прочность и полезные свойства сохраняются до момента активации деградации. «Мы обнаружили, что точное пространственное расположение этих соседних групп кардинально меняет скорость деградации полимера, – говорит Гу. – Контролируя их ориентацию, мы можем спроектировать один и тот же пластик так, чтобы он разрушался за дни, месяцы или даже годы».
Такой уровень контроля позволяет создавать пластик с жизненным циклом, соответствующим его назначению. Например, пищевая упаковка может прослужить всего один день, в то время как автомобильные компоненты должны выдерживать многолетнюю эксплуатацию. Ученые показали, что процесс разложения может быть заложен изначально или активирован позже с помощью ультрафиолетового света или ионов металлов. Потенциал технологии выходит далеко за рамки борьбы с загрязнением: ее можно использовать для создания капсул с дозированной доставкой лекарств или самостирающихся покрытий.
Первоначальные лабораторные тесты показали, что жидкость, образующаяся при распаде нового пластика, нетоксична, хотя для подтверждения долгосрочной безопасности потребуются дальнейшие исследования. Сейчас команда изучает, представляют ли остаточные фрагменты какой-либо риск для экосистем, и ищет способы интеграции нового подхода в существующие производственные процессы. Хотя впереди еще много работы, это открытие открывает путь к созданию более «умных» и экологически ответственных материалов.
