科学家使用立体化学创造可持续的塑料替代品

英国和美国联合举办了一场。研究小组可能已经找到了解决塑料污染的甜蜜方法。

来自伯明翰大学和杜克大学的科学家们表示，他们已经开发出一种解决大多数可持续塑料问题的方法。这些石化塑料的替代品往往是易碎的，通常具有较小的性能范围。

“为了改变性能，化学家必须从根本上改变塑料的化学成分，即重新设计它，”伯明翰化学学院的研究合著者乔希·沃奇在一封电子邮件中告诉“拥抱树”。

但Worch和他的团队认为，他们已经找到了一种更灵活的替代品，使用糖醇，他们在最近发表在《美国化学学会杂志》上的一篇论文中宣布了这一发现。

“我们的研究表明，你可以通过简单地使用从相同的糖源中获得的不同形状的分子，将一种材料从塑料变成弹性的，”Worch说。“从具有相同化学成分的材料中获得这些真正不同的特性的能力是前所未有的。”

糖高

糖醇是塑料的好材料，部分原因是它们具有一种叫做立体化学的特性。这意味着它们可以形成具有不同三维方向但化学成分相同的化学键，或具有相同数量的不同组成原子。这实际上是糖与油基材料的区别所在，而油基材料没有这种特性。

在这项新研究中，科学家们用碘化物和异甘露酰胺制成了聚合物，这两种化合物是由糖醇制成的伯明翰大学的新闻稿解释道．这些化合物具有相同的成分，但不同的三维取向，这足以使聚合物具有非常不同的性质。碘化物基聚合物像普通塑料一样具有刚性和延展性，而异甘露尼德基聚合物像橡胶一样具有弹性和柔韧性。

杜克大学教授马修·贝克尔是该研究的合著者，他在新闻稿中说:“我们的发现真正证明了立体化学可以作为设计具有真正前所未有的机械性能的可持续材料的中心主题。”

两个聚合物的故事

这两种聚合物都具有独特的特性，这可能会使它们在现实世界中发挥作用。这种以碘化物为基础的聚合物像高密度聚乙烯(HDPE)一样具有延展性，可用于牛奶盒和包装等。这意味着它在断裂前可以拉伸很远。然而，它也有尼龙的强度，例如用于渔具。

基于异甘露聚糖的聚合物更像橡胶。也就是说，它被拉伸得越远，强度越强，但之后它会恢复到原来的长度。这使得它类似于橡皮筋、轮胎或用于制作运动鞋的材料。

Worch告诉Treehugger:“从理论上讲，它们有可能被用于上述任何一种应用，但在确认它们的适用性之前，还需要更严格的机械测试。”

新闻稿指出，因为这两种聚合物的化学成分非常相似，它们也可以很容易地混合在一起，创造出具有改进或只是不同特性的塑料替代品。

然而，塑料的替代品要真正可持续，还不够有用。它还必须可重复使用，即使最终进入环境，对环境的威胁也比从化石燃料中提取的塑料要小。beplay体育官网电脑

当谈到回收时，这两种聚合物可以像HDPE或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)一样回收。它们相似的化学结构也有助于这一点。

Worch在新闻稿中说:“将这些聚合物混合在一起以创造有用的材料的能力，在回收中提供了一个明显的优势，这往往需要处理混合饲料。”

生物可降解和可降解

然而，根据联合国环境规划署的数据，迄今为止，只有9%的塑料垃圾得到了回收。beplay体育官网电脑还有12%的垃圾被焚烧，79%的垃圾留在垃圾场、垃圾填埋场或自然环境中，令人震惊。beplay体育官网电脑令人担忧的是，塑料垃圾可以持续存在几个世纪，只分解成更小的颗粒，或微塑料，通过食物网从更小的动物到更大的动物，直到它们最后出现在我们的餐盘上。

对于天然或可持续塑料的主张是，它们会更快地消失，但这真正意味着什么?一个2019年的研究一个号称可生物降解的购物袋在海洋环境中浸泡了三年，之后发现它仍然可以装载一满载的杂货。beplay体育官网电脑

伯明翰化学学院的研究合著者康纳·斯塔布斯在给“树拥抱者”的电子邮件中解释说，部分问题在于“生物可降解”这个词本身。

“生物降解性是一个经常被误解的概念，甚至在化学和塑料研究中也是如此!”斯塔布斯说。“如果一种材料是可生物降解的，那么它最终必须通过微生物、细菌和真菌的作用分解为生物量、二氧化碳和水。如果保持足够长的时间，目前的一些塑料最终可能会达到接近这一点，但这可能需要数百年或数千年的时间，而且很可能只有在分解成微塑料后才会发生(这就是我们目前的状况!)”

该研究的作者认为，可降解是一个更准确的术语，这是他们用来描述糖基聚合物的词。

确定一种特定的塑料替代品的可降解程度真的增加了另一层困难。它分解的速度取决于它最终是进入海洋还是土壤，它周围的温度是多少，以及它遇到的微生物类型是什么。

Stubbs说:“在塑料研究中，设计一个健壮的、通用的标准/协议来测量塑料如何在合理的时间跨度内降解，这可能是最大的挑战。”

该研究的作者通过在碱性水中对他们的塑料进行实验，并结合其他塑料在环境中降解的数据，利用数学模型来估计含糖聚合物在海水中的分解能力，从而评估了他们聚合物的降解能力。beplay体育官网电脑

Stubbs说:“据估计，我们的聚合物降解速度比一些领先的可持续(可降解)塑料快一个数量级，但模型总是难以捕捉所有可能影响降解性的因素。”

该研究团队目前正在测试这些聚合物在没有建模帮助的情况下在环境中的降解情况，但这可能需要数月或数年才能确定。beplay体育官网电脑他们还想扩大塑料降解的环境范围。beplay体育官网电脑

Stubbs说:“我们花了时间在这个项目上，在水环境(即海洋)中检查和建模这些可降解材料，但未来的改进将是确保这些材料可以在陆地上降解，可能是通过堆肥。”beplay体育官网电脑“更广泛地说，我们已经在创造可通过阳光降解的塑料(光降解塑料)方面做了一些有前景的工作，长期以来，我们希望将这项技术应用到其他塑料中。”

下一个步骤吗?

除了评估和提高它们的降解性，研究人员希望在它们真正开始取代石油化工塑料之前，还可以通过许多其他方法来改进这些糖基聚合物。

首先，研究人员希望提高聚合物的可回收性，延长它们的使用寿命。目前，它们在被回收两次后开始变得不那么好。

在生产聚合物方面，首先，研究人员有两个主要目标:

1. 使用可重复使用的化学品，创造一个更环保、能耗更低的系统。
2. 从合成几十克到千克。

“最终将其转化为商业规模(100公斤，吨，甚至更多)需要行业合作，但我们对寻求合作非常开放，”沃奇告诉Treehugger。

新闻稿称，伯明翰企业大学和杜克大学已经为他们的聚合物申请了联合专利。

“这项研究真正展示了可持续塑料的可能性，”合著者、伯明翰大学研究团队负责人安德鲁·达夫教授在新闻稿中说。“虽然我们需要做更多的工作来降低成本，并研究这些材料对环境的潜在影响，但从长远来看，这类材料有可能取代不易在环境中降解的石化塑料。”beplay体育官网电脑