الهام گرفتن از طبیعت میتواند راهحلی نوآورانه برای یکی از بزرگترین چالشهای زیستمحیطی عصر حاضر یعنی آلودگی پلاستیک باشد. پژوهشی جدید نشان میدهد با تقلید هوشمندانه از ساختارهای طبیعی، میتوان پلاستیکهایی ساخت که پس از انجام وظیفه خود، بهطور کنترلشده و ایمن تجزیه شوند.
الهام از یک صحنه آشنا در طبیعت
در جریان یک پیادهروی در پارک ایالتی «بِر مانتین»، شیمیدانی به نام «یوی گو» با صحنهای تکراری روبهرو شد: بطریهای پلاستیکی پراکنده در مسیر و شناور روی سطح دریاچه. همین منظره ساده جرقهای ذهنی را در او ایجاد کرد که به پژوهشی مهم انجامید.
پلاستیکها نوعی پلیمر هستند، زنجیرههایی بلند از واحدهای مولکولی تکرارشونده. جالب اینجاست که حیاتیترین مواد زیستی مانند DNA، RNA، پروتئینها و سلولز نیز پلیمر محسوب میشوند. با این تفاوت اساسی که پلیمرهای طبیعی پس از مدتی ناپدید میشوند اما پلاستیکهای مصنوعی دههها باقی میمانند.
«زیستشناسی در همهجا از پلیمرها استفاده میکند اما طبیعت هرگز با انباشت بلندمدت این مواد مواجه نمیشود»
تفاوت کلیدی در شیمی مولکولی
گو متوجه شد تفاوت اصلی در شیمی نهفته است، بهویژه در روشی که طبیعت برای خروج مواد از چرخه استفاده طراحی کرده است. پلیمرهای طبیعی کاملاً تخریبناپذیر نیستند. آنها دارای ویژگیهای شیمیایی ظریفی هستند که باعث میشود برخی پیوندها در شرایط خاص بهراحتی شکسته شوند.
سلولها از این مکانیسم برای بازیافت پروتئینها استفاده میکنند و باز شدن رشتههای DNA در فرآیند همانندسازی نیز بر همین اصل استوار است.
یک پرسش ساده اما انقلابی
اگر بتوان این ترفند ساختاری طبیعت را قرض گرفت چه میشود؟ آیا میتوان پلاستیکهایی ساخت که در زمان استفاده مقاوم باشند و پس از آن بهنرمی از هم بپاشند؟
در مطالعهای جدید از دانشگاه راتگرز، گو و همکارانش نشان دادند پاسخ این پرسش مثبت است.
ایجاد نقاط ضعف کنترلشده در پلاستیک
آنها با مهندسی «نقاط ضعف» بسیار کوچک در ستون فقرات پلیمری و بدون تغییر واحدهای سازنده اصلی، موادی ساختند که در زمان مصرف پایدار هستند اما با محرکهای روزمره تجزیه میشوند.
پلیمر را میتوان به زنجیرهای از مهرهها تشبیه کرد که با پیوندهای شیمیایی به هم متصل شدهاند. این پیوندها میتوانند مانند کابل فولادی یا درز پارهشونده عمل کنند.
شکست هدایتشده در سطح مولکولی
تمرکز تیم پژوهشی بر هندسه اطراف پیوندها بود. با قرار دادن گروههای شیمیایی مجاور در جهتگیری مناسب، نوعی «چینخوردگی از پیشطراحیشده» ایجاد میشود. زنجیره در شرایط عادی سالم میماند اما با یک محرک ملایم، این چینخوردگی مسیر شکست را مشخص میکند.
نتیجه این رویکرد، تجزیهای است که هزاران برابر سریعتر از حالت معمول رخ میدهد بدون آنکه استحکام اولیه پلاستیک کاهش یابد.
کنترل زمان تجزیه پلاستیک
قدرت اصلی این روش در کنترلپذیری آن است. با تغییر جزئی در آرایش فضایی اتمها، میتوان زمان تجزیه را تنظیم کرد.
- یک بستهبندی ممکن است فقط یک روز دوام بیاورد
- یک قطعه خودرویی میتواند سالها پایدار بماند
ترکیب شیمیایی پلاستیک ثابت میماند اما زمانبندی تجزیه در ساختار آن رمزگذاری میشود.
محرکهای ساده و عملی
در برخی فرمولها، پلیمر با قرار گرفتن در معرض رطوبت و هوا خودبهخود شروع به باز شدن میکند. در برخی دیگر، نور فرابنفش یا مقدار اندکی یون فلزی بیضرر این فرایند را فعال میکند.
فراتر از کاهش زباله
تصور کنید بستهبندی غذایی که امروز تازه میماند و هفته بعد بیسروصدا تجزیه میشود. یا فیلمهای کشاورزی که از نهالها محافظت میکنند و سپس ناپدید میشوند.
آزمایشهای اولیه نشان میدهد مایعات حاصل از تجزیه سمی نیستند. با این حال، پژوهشگران با احتیاط پیش میروند و مطالعات ایمنی بلندمدت انجام میدهند.
ارزیابی اثرات زیستمحیطی تجزیه
تجزیهپذیر بودن الزاماً بهمعنای بیضرر بودن نیست. تیم گو مسیر کامل تجزیه را بررسی میکند؛ از نوع قطعات ایجادشده تا واکنش خاک، آب و میکروارگانیسمها.
نتایج اولیه امیدوارکننده هستند اما آزمایشها در محیطهای واقعی ادامه دارد.
مسیر عملی برای تولید صنعتی
پژوهشگران در حال بررسی این موضوع هستند که آیا این شیمی جدید میتواند در خطوط تولید فعلی پلاستیک ادغام شود یا خیر. هدف آن است که بدون تغییر اساسی در فرآیند قالبگیری، چاپ یا اکستروژن، امکان افزودن «کلید خاموشی» به پلاستیکهای رایج فراهم شود.
ایدهای ساده با پتانسیلی بزرگ
جرقه این پژوهش از یک پیادهروی ساده و مشاهده زبالهها آغاز شد. هدف نهایی گو این است که پلاستیکها وظیفه خود را انجام دهند و سپس ناپدید شوند.
اگر طراحی شیمیایی بهدرستی انجام شود، میتوان تاریخ انقضا را در شناسنامه تولد یک ماده نوشت.
مسیرهای آینده پژوهش
این تیم در حال گسترش آزمایشها به کاربردهای سختتر و شرایط خشنتر است. همچنین همکاری با صنایع برای تولید محصولات آزمایشی مانند بستهبندیهای یکبارمصرف و پوششهای موقت در دستور کار قرار دارد.
این پژوهش در مجله علمی Nature Chemistry منتشر شده است.
نتیجهگیری
الهام از طبیعت نشان میدهد میتوان با تغییرات ظریف در ساختار مولکولی، پلاستیکهایی هوشمند ساخت که نه ابدی بلکه «بهاندازه کافی ماندگار» باشند.
اگر به راهکارهای نوآورانه برای کاهش آلودگی پلاستیک علاقهمند هستید، مقالههای مرتبط ما را بخوانید و دیدگاه خود را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.
