Μια νέα προσέγγιση στο τεράστιο πρόβλημα της… αιώνιας ρύπανσης του πλανήτη από τα πλαστικά.
Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Rutgers στις ΗΠΑ ανέπτυξαν πλαστικά που μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να διασπώνται ώστε να διασπώνται χωρίς να αφήνουν πίσω τους υπολείμματα για πολλά χρόνια. Η προσέγγισή τους θα μπορούσε να προσφέρει έναν ουσιαστικό νέο τρόπο αντιμετώπισης του αυξανόμενου προβλήματος της πλαστικής ρύπανσης.
Ο Γιούγουεϊ Γκου είχε βγει για πεζοπορία στο Bear Mountain State Park της Νέας Υόρκης όταν μια απρόσμενη ιδέα άρχισε να σχηματίζεται στο μυαλό του. Καθώς περπατούσε παρατήρησε πλαστικά μπουκάλια διάσπαρτα στο μονοπάτι και άλλα να επιπλέουν στη λίμνη. Η αντίθεση ανάμεσα στο φυσικό τοπίο και τα σκουπίδια τον έκανε να σταματήσει και να σκεφτεί.
Στη φύση πολλές ουσίες αποτελούνται από μακριές αλυσίδες επαναλαμβανόμενων μονάδων που ονομάζονται πολυμερή, όπως το DNA και το RNA, και αυτά τα φυσικά πολυμερή τελικά αποσυντίθενται. Τα κατασκευασμένα πολυμερή όπως τα πλαστικά συνήθως παραμένουν στο περιβάλλον χωρίς να διασπώνται. Γιατί συμβαίνει αυτό;
«Η βιολογία χρησιμοποιεί πολυμερή παντού – στις πρωτεΐνες, το DNA, το RNA και την κυτταρίνη – όμως η φύση δεν αντιμετωπίζει ποτέ προβλήματα μακροχρόνιας συσσώρευσης όπως με τα συνθετικά πλαστικά», είπε ο Γκου, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και Χημικής Βιολογίας της Σχολής Τεχνών και Επιστημών του Rutgers.
Καθώς στεκόταν στο δάσος, η απάντηση τού ήρθε. «Η διαφορά πρέπει να βρίσκεται στη χημεία», είπε. Ο Γκου σκέφτηκε ότι αν οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να δημιουργούν πολυμερή που επιτελούν τον ρόλο τους και μετά αποσυντίθενται φυσικά ίσως και τα πλαστικά που σχεδιάζουμε εμείς να μπορούσαν να επανασχεδιαστούν ώστε να συμπεριφέρονται με παρόμοιο τρόπο.
Από τις γνώσεις του ήξερε ότι πολλά φυσικά πολυμερή περιέχουν μικρές χημικές ομάδες ενσωματωμένες στη δομή τους οι οποίες βοηθούν στο χαλάρωμα των χημικών δεσμών όταν οι συνθήκες είναι κατάλληλες, διευκολύνοντας τη διάσπαση του υλικού. «Σκέφτηκα: τι θα γινόταν αν αντιγράφαμε αυτό το δομικό τέχνασμα; Θα μπορούσαμε να κάνουμε τα ανθρώπινα πλαστικά να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο;» λέει ο Γκου.
Δανειζόμενοι το σχέδιο της φύσης
Η ιδέα λειτούργησε. Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Chemistry» ο Γκου και μια ομάδα επιστημόνων του Rutgers έδειξαν ότι, δανειζόμενοι αυτήν την αρχή από τη φύση, μπορούν να δημιουργήσουν πλαστικά που αποσυντίθενται σε καθημερινές συνθήκες χωρίς θερμότητα ή ισχυρά χημικά.
«Θέλαμε να αντιμετωπίσουμε μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις των σύγχρονων πλαστικών. Ο στόχος μας ήταν να βρούμε μια νέα χημική στρατηγική που θα επέτρεπε στα πλαστικά να αποδομούνται φυσικά υπό καθημερινές, συνηθισμένες συνθήκες, χωρίς ειδικές κατεργασίες» αναφέρουν οι ερευνητές.
Ένα δείγμα πλαστικού υλικού που χρησιμοποιείται συχνά σε προφυλακτήρες αυτοκινήτων και αγροτικό εξοπλισμό και είναι δύσκολο να αποσυντεθεί, κατασκευάστηκε με τη διαδικασία των επιστημόνων του Rutgers χρησιμοποιώντας αποικοδομήσιμη χημεία. Η χημική του δομή επιτρέπει στο πλαστικό να αρχίζει να διασπάται από μόνο του μέσα σε λίγες μέρες σε κανονικές συνθήκες δωματίου.
Μια δομική «προδίπλωση»
Το κλειδί της ανακάλυψης ήταν ο τρόπος που οι ερευνητές τοποθέτησαν συγκεκριμένα συστατικά της χημικής δομής ώστε να βρίσκονται στην κατάλληλη θέση για να ξεκινήσει η διάσπαση όταν ενεργοποιηθεί.
Η διαδικασία μοιάζει με το δίπλωμα ενός φύλλου χαρτιού ώστε να σχίζεται εύκολα κατά μήκος της τσάκισης. Με αυτήν την «προδίπλωση», το πλαστικό μπορεί να διασπαστεί χιλιάδες φορές γρηγορότερα από το κανονικό. Παρότι είναι ευκολότερο να σπάσει όταν ενεργοποιηθεί, η βασική χημική του σύσταση παραμένει η ίδια, οπότε παραμένει ισχυρό και λειτουργικό μέχρι τη στιγμή που ο χρήστης θέλει να αρχίσει η αποδόμηση.
«Το πιο σημαντικό είναι ότι διαπιστώσαμε πως η ακριβής χωρική διάταξη αυτών των γειτονικών ομάδων αλλάζει δραματικά το πόσο γρήγορα διασπάται το πολυμερές. Με ελεγχόμενο προσανατολισμό και τοποθέτηση, μπορούμε να σχεδιάσουμε το ίδιο πλαστικό ώστε να διασπάται σε ημέρες, μήνες ή και χρόνια» εξηγεί ο Γκου.
Η δυνατότητα αυτή επιτρέπει σε διαφορετικά προϊόντα να έχουν διάρκεια ζωής ανάλογη με τη χρήση τους: συσκευασίες φαγητού μπορεί να χρειάζεται να διασπώνται σε μια μέρα, ενώ εξαρτήματα αυτοκινήτων πρέπει να διαρκούν για χρόνια. Η ομάδα έδειξε επίσης ότι η αποδόμηση μπορεί να είναι ενσωματωμένη εξαρχής ή να ενεργοποιείται/απενεργοποιείται με υπεριώδες φως ή μεταλλικά ιόντα.
Πέρα από τον περιβαλλοντικό καθαρισμό
Οι εφαρμογές ξεπερνούν την επίλυση της πλαστικής ρύπανσης. Ο Γκου είπε ότι η αρχή αυτή μπορεί να επιτρέψει καινοτομίες όπως κάψουλες ελεγχόμενης απελευθέρωσης φαρμάκων και αυτοδιαγραφόμενες επιφάνειες. «Αυτή η έρευνα όχι μόνο ανοίγει την πόρτα για πιο φιλικά προς το περιβάλλον πλαστικά, αλλά επεκτείνει τα εργαλεία για τον σχεδιασμό έξυπνων, ανταποκρινόμενων πολυμερικών υλικών σε πολλά πεδία».
Για τον Γκου, ο τελικός στόχος είναι σαφής: τα πλαστικά πρέπει να εξυπηρετούν τον σκοπό τους και μετά να εξαφανίζονται. «Η στρατηγική μας παρέχει έναν πρακτικό, χημικό τρόπο επανασχεδιασμού των υλικών ώστε να λειτουργούν σωστά κατά τη χρήση, αλλά μετά να διασπώνται φυσικά», είπε.
Οι πρώτες εργαστηριακές δοκιμές δείχνουν ότι το υγρό που παράγεται από τη διάσπαση δεν είναι τοξικό αλλά ο Γκου σημείωσε ότι χρειάζεται περαιτέρω έρευνα. Κοιτώντας πίσω, λέει ότι τον εξέπληξε το γεγονός ότι μια απλή σκέψη σε ένα ήσυχο μονοπάτι στο βουνό κατέληξε να λειτουργήσει. «Ήταν μια απλή ιδέα: να αντιγράψουμε τη δομή της φύσης για να πετύχουμε τον ίδιο στόχο», είπε. «Αλλά το να βλέπω ότι πέτυχε ήταν απίστευτο.»
Επόμενα βήματα
Ο Γκου και η ομάδα του προχωρούν σε νέες κατευθύνσεις. Μελετούν σε βάθος αν τα μικρά κομμάτια στα οποία διασπώνται τα πλαστικά είναι επιβλαβή για ζωντανούς οργανισμούς ή το περιβάλλον, ώστε να διασφαλιστεί ότι τα υλικά είναι ασφαλή σε όλο τον κύκλο ζωής τους.
Εξετάζουν επίσης πώς η χημική τους διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί σε κοινά πλαστικά και να ενσωματωθεί στις υπάρχουσες μεθόδους παραγωγής. Παράλληλα, δοκιμάζουν αν η προσέγγιση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία καψουλών που απελευθερώνουν φάρμακα σε ελεγχόμενο χρόνο. Υπάρχουν ακόμη τεχνικές προκλήσεις, αλλά ο Γκου λέει ότι με περαιτέρω ανάπτυξη, και με τη συνεργασία της βιομηχανίας πλαστικών που αναγνωρίζει την ανάγκη για βιώσιμα υλικά, η νέα αυτή χημεία θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί σε καθημερινά προϊόντα.
