کشف شیمیدان راتگرز: ساخت پلاستیک‌های هوشمند با قابلیت تنظیم سرعت تجزیه

جرقه یک کشف بزرگ: الهام از طبیعت برای حل بحران پلاستیک

ماجرا از یک پیاده‌روی معمولی در پارک ایالتی «بر مونتین» آغاز شد؛ جایی که مشاهده بطری‌های پلاستیکی رهاشده در مسیر و شناور در دریاچه، ذهن شیمیدان دانشگاه راتگرز، یووی گو، را به چالش کشید. این صحنه در محیطی که ظاهراً دست‌نخورده بود، پرسشی بنیادین را در ذهن او شکل داد: طبیعت پلیمرهایی مانند دی‌ان‌ای و آران‌ای می‌سازد که تجزیه می‌شوند، پس چرا پلاستیک‌های مصنوعی چنین نیستند؟

این دانشمند با تکیه بر این مشاهده، به این نتیجه رسید که تفاوت اصلی باید در شیمی این مواد نهفته باشد. در واقع، طبیعت هیچ‌گاه با مشکل انباشت طولانی‌مدت پلیمرها، مانند آنچه در مورد پلاستیک‌های ساخت بشر می‌بینیم، روبه‌رو نمی‌شود.

شبیه‌سازی «ترفند ساختاری» طبیعت

پلیمرهای طبیعی دارای گروه‌های کمکی کوچکی در ساختار خود هستند که در موقعیت‌های استراتژیک قرار گرفته‌اند و شکستن پیوندها را در زمان مقتضی آسان می‌کنند. پلاستیک‌های رایج فاقد این ویژگی هستند. این خلاء، پایه رویکرد جدید پژوهشی یووی گو شد:

«با خود فکر کردم، اگر این ترفند ساختاری را شبیه‌سازی کنیم چه می‌شود؟ آیا می‌توانیم پلاستیک‌های ساخته بشر را وادار کنیم همان‌طور رفتار کنند؟»

گروه تحقیقاتی او با موفقیت این ایده را آزمایش کرد. آن‌ها پلاستیک‌هایی را سنتز کردند که در طول استفاده، استحکام خود را حفظ می‌کنند اما با قرار گرفتن در معرض محرک‌های ساده روزمره، شروع به تجزیه شدن می‌کنند. این فرآیند نیازی به گرما یا مواد شیمیایی سخت ندارد.

کنترل‌پذیری بی‌سابقه در فرآیند تجزیه

روش ابداعی این پژوهشگران نه تنها پلاستیک‌ها را تجزیه‌پذیر می‌کند، بلکه امکان کنترل دقیق بر سرعت تجزیه را نیز فراهم می‌آورد. این کنترل با قرار دادن اجزای شیمیایی در موقعیت‌هایی به دست می‌آید که آماده فعال شدن هستند. این فرآیند شبیه به تا کردن کاغذ در امتداد یک خط تا است؛ کاغذ تا زمانی که فشار به خط تا وارد نشود سالم می‌ماند، اما با اعمال فشار به‌راحتی پاره می‌شود.

تنظیم سرعت تجزیه از چند روز تا چند سال

مهم‌ترین دستاورد این روش، قابلیت تنظیم دقیق سرعت تجزیه است:

• با تنظیمات مختلف، یک پلاستیک می‌تواند ظرف چند روز، چند ماه یا چند سال تجزیه شود.
• آرایش فضایی دقیق گروه‌های همسایه، عامل اصلی تعیین‌کننده سرعت تجزیه پلیمر است.

این ویژگی به طراحان این امکان را می‌دهد که محصولات را بر اساس کاربردشان طراحی کنند؛ برای مثال، یک ظرف غذای بیرون‌بر می‌تواند خیلی زود تجزیه شود، در حالی که قطعات خودرو می‌توانند سال‌ها دوام بیاورند. علاوه بر این، تجزیه می‌تواند با محرک‌هایی مانند نور فرابنفش یا یون‌های فلزی «روشن» یا «خاموش» شود.

کاربردهای گسترده و گام‌های آتی

آزمایش‌های اولیه آزمایشگاهی نشان داده‌اند که مایع حاصل از تجزیه این پلاستیک‌ها سمی نیست، هرچند ارزیابی‌های بیشتری در حال انجام است. این فناوری پتانسیل بالایی برای کاربردهای نوین دارد:

• تولید کپسول‌های دارویی که طبق برنامه زمانی مشخص دارو آزاد می‌کنند.
• ساخت پوشش‌های موقتی که به‌طور خودبه‌خود پاک می‌شوند.

یووی گو تأکید می‌کند که این پژوهش نه تنها راه را برای پلاستیک‌های دوستدار محیط زیست باز می‌کند، بلکه ابزار طراحی مواد هوشمند و واکنش‌پذیر مبتنی بر پلیمر را در حوزه‌های مختلف گسترش می‌دهد.

در حال حاضر، پژوهشگران بر بررسی ایمنی، سازگاری با تولید صنعتی در مقیاس وسیع و یافتن راه‌های کاربرد گسترده این روش شیمیایی تمرکز کرده‌اند.