Onderzoekers onder leiding van Takuzo Aida van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) hebben een duurzaam plastic ontwikkeld dat niet bijdraagt aan microplasticvervuiling in onze oceanen. Het nieuwe materiaal is net zo sterk als conventioneel plastic en biologisch afbreekbaar, maar wat het speciaal maakt, is dat het afbreekt in zeewater. Het nieuwe plastic zal naar verwachting helpen bij het verminderen van schadelijke microplasticvervuiling die zich ophoopt in oceanen en de bodem en uiteindelijk in de voedselketen terechtkomt. De experimentele bevindingen werden op 22 november gepubliceerd in Science.
Wetenschappers hebben geprobeerd veilige en duurzame materialen te ontwikkelen die traditioneel plastic kunnen vervangen, dat niet duurzaam is en schadelijk is voor het milieu. Hoewel er recyclebare en biologisch afbreekbare kunststoffen bestaan, blijft er één groot probleem bestaan. Huidige biologisch afbreekbare kunststoffen zoals PLA belanden vaak in de oceaan, waar ze niet kunnen worden afgebroken omdat ze onoplosbaar zijn in water. Als gevolg hiervan zijn microplastics (plasticdeeltjes kleiner dan 5 mm) schadelijk voor het waterleven en belanden ze in de voedselketen, inclusief ons eigen lichaam.
In hun nieuwe onderzoek richtten Aida en zijn team zich op het oplossen van dit probleem met supramoleculaire kunststoffen: polymeren met structuren die bij elkaar worden gehouden door omkeerbare interacties. De nieuwe kunststoffen werden gemaakt door twee ionische monomeren te combineren die vernet zoutbruggen vormen, die sterkte en flexibiliteit bieden. In de eerste tests was een van de monomeren een veelvoorkomend voedingsadditief genaamd natriumhexametafosfaat en de andere was een van de verschillende guanidinium-ion-gebaseerde monomeren. Beide monomeren kunnen door bacteriën worden gemetaboliseerd, wat zorgt voor biologische afbreekbaarheid zodra de kunststof is opgelost in zijn componenten.
“Hoewel men dacht dat de omkeerbare aard van de bindingen in supramoleculaire kunststoffen ze zwak en instabiel maakt”, zegt Aida, “zijn onze nieuwe materialen precies het tegenovergestelde.” In het nieuwe materiaal is de structuur van de zoutbruggen onomkeerbaar, tenzij ze worden blootgesteld aan elektrolyten zoals die in zeewater. De belangrijkste ontdekking was hoe deze selectief onomkeerbare dwarsverbindingen kunnen worden gemaakt.
Net als bij olie met water, observeerden de onderzoekers na het mengen van de twee monomeren in water twee gescheiden vloeistoffen. De ene was dik en viskeus en bevatte de belangrijke structurele vernet zoutbruggen, terwijl de andere waterig was en zoutionen bevatte. Bijvoorbeeld, toen natriumhexametafosfaat en alkyldiguanidiniumsulfaat werden gebruikt, werd natriumsulfaatzout in de waterige laag uitgestoten. Het uiteindelijke plastic, alkyl SP2, werd gemaakt door te drogen wat er in de dikke viskeuze vloeistoflaag overbleef.
Het “ontzouten” bleek de kritische stap te zijn; zonder dit was het resulterende gedroogde materiaal een bros kristal, ongeschikt voor gebruik. Het opnieuw zouten van het plastic door het in zout water te leggen, zorgde ervoor dat de interacties omkeerden en de structuur van het plastic binnen enkele uren destabiliseerde. Nadat ze dus een sterk en duurzaam plastic hadden gecreëerd dat onder bepaalde omstandigheden nog steeds kan worden opgelost, testten de onderzoekers vervolgens de kwaliteit van het plastic.
De nieuwe plastics zijn niet-toxisch en niet-ontvlambaar – wat betekent dat er geen CO2-uitstoot is – en kunnen bij temperaturen boven de 120 °C worden hervormd, net als andere thermoplasten. Door verschillende soorten guanidiniumsulfaten te testen, kon het team plastics genereren met verschillende hardheden en treksterktes, die allemaal vergelijkbaar of beter waren dan conventionele plastics. Dit betekent dat het nieuwe type plastic kan worden aangepast aan de behoefte; harde krasbestendige plastics, rubber siliconenachtige plastics, sterke gewichtdragende plastics of flexibele plastics met een lage treksterkte zijn allemaal mogelijk. De onderzoekers creëerden ook in de oceaan afbreekbare plastics met behulp van polysacchariden die vernet zoutbruggen vormen met guanidiniummonomeren. Plastics zoals deze kunnen worden gebruikt in 3D-printen en in medische of gezondheidsgerelateerde toepassingen.
Tot slot onderzochten de onderzoekers de recycleerbaarheid en biologische afbreekbaarheid van het nieuwe plastic. Nadat ze het eerste nieuwe plastic in zout water hadden opgelost, konden ze 91% van het hexametafosfaat en 82% van het guanidinium als poeders terugwinnen, wat aangeeft dat recycling eenvoudig en efficiënt is. In de grond werden vellen van het nieuwe plastic volledig afgebroken in de loop van 10 dagen, waardoor de grond werd voorzien van fosfor en stikstof, vergelijkbaar met meststof.
“Met dit nieuwe materiaal hebben we een nieuwe familie van plastics gecreëerd die sterk, stabiel, recyclebaar zijn, meerdere functies kunnen vervullen en, belangrijker nog, geen microplastics genereren”, zegt Aida.