Новый прочный пластик растворяется в океане и почве за 10 дней

Ученые разрабатывают безопасные и экологически чистые материалы, призванные заменить традиционные пластики, которые наносят ущерб окружающей среде. Однако современные биоразлагаемые пластики, такие как PLA не могут разлагаться в океане, поскольку они не растворяются в воде. В результате, микропластик — мелкие пластиковые частицы размером менее 5 мм — вредят морской флоре и фауне, проникая в пищевую цепочку, включая и человека.

Исследователи создали новый тип пластика, называемый супрамолекулярным, который обладает уникальной структурой. Этот пластик состоит из молекул, связанных между собой особым образом — за счет так называемых обратимых взаимодействий. Для создания такого пластика ученые объединили «солевым мостиком» два ионных мономера. Один из них — это обычная пищевая добавка, гексаметафосфат натрия. Второй был выбран из группы веществ, содержащих ион гуанидиния.

Когда эти два вещества соединяются, они образуют прочные связи, похожие на мосты, что делает пластик прочным и гибким. Оба компонента этого пластика могут разлагаться бактериями.

Считалось, что обратимые связи в супрамолекулярных пластиках делают их слабыми и нестабильными, но новое исследование показало обратное. Разработанные материалы обладают необратимой структурой «солевых мостиков», которая сохраняется при воздействии большинства веществ, за исключением электролитов, подобных морской воде. Этого удалось достичь за счет создания избирательно необратимых поперечных связей.

Когда два мономера смешивались в воде, они разделялись на два слоя, подобно маслу и воде. Один слой был густым и вязким, содержащим важные структурные сшитые «солевые мостики», а другой был водянистым и содержал ионы соли. Например, при использовании гексаметафосфата натрия и сульфата алкилдигуанидина в водянистый слой выделялся сульфат натрия. Вязкий слой после удаления воды превращался в конечный продукт — пластик алкил SP2. Ключевым этапом был процесс удаления соли. Без «обессоливания» высушенный продукт превращается в хрупкий кристалл, непригодный для использования. При помещении такого пластика в соленую воду происходило обратное взаимодействие, и структура материала быстро разрушалась.

Новые пластики нетоксичны, не воспламеняются (что исключает выбросы CO₂) и могут быть повторно формованы при температурах выше 120°C, подобно традиционным термопластам.

Экспериментируя с различными типами сульфатов гуанидина, исследователи создали пластики с широким спектром характеристик: от твердых и устойчивых к царапинам до гибких и эластичных, подобных силиконовой резине. Исследователи также создали биоразлагаемые в океане пластики с использованием полисахаридов, которые образуют сшитые солевые мостики с мономерами гуанидина. Эти продукты можно использовать для производства прочных конструкций, а также в 3D-печати и медицинских приложениях.

Материал продемонстрировал впечатляющие результаты при переработке и биоразложении. После растворения в соленой воде удалось восстановить большую часть исходных компонентов: 91% гексаметафосфата и 82% гуанидина. Это позволяет возвращать пластик в производственный цикл. Кроме того, в почвенных условиях образцы полностью разлагались за 10 дней, обогащая почву фосфором и азотом, подобно органическим удобрениям.