Zamiast wiecznego plastiku - znikający materiał. Wymyślili coś genialnego
Nowa technologia zamienia związki z roślin i lipidów w polimerowe kapsuły, które przechowują zapachy czy leki, a potem bez śladu znikają w środowisku.
Perfumy, kosmetyki, środki do prania czy nawozy coraz częściej korzystają z mikroskopijnych kapsułek, które stopniowo uwalniają zapach, substancję czynną albo barwnik. Problem jednak w tym, że większość z nich jest zbudowana z tworzyw, które w środowisku praktycznie się nie rozkładają i dokładają swoją cegiełkę do mikroplastikowego bałaganu w oceanach. Zespół z Osaka Metropolitan University proponuje polimerowe kapsuły powstające z cząsteczek pochodzenia naturalnego, które po wykonaniu zadania można dosłownie wyłączyć światłem albo pozwolić im spokojnie rozpaść się w wodzie.
Z roślin i lipidów, nie z ropy
Nowa technologia opiera się na cząsteczkach, które chemicy nazywają monomerami. Są to małe klocki, z których buduje się dłuższe łańcuchy polimerów. W tym przypadku monomery są specjalnie zaprojektowane tak, aby spełnić trzy warunki naraz:
- pochodzić z naturalnych źródeł;
- dać się łączyć pod wpływem światła;
- dać się później z powrotem rozłożyć do nieszkodliwych składników.
Badacze korzystają m.in. z kwasu cynamonowego (obecnego w niektórych roślinach, znanego choćby z przypraw), z glicerolu związanego z lipidami oraz z pochodnych pięciowęglowych alkoholi powstających z glukozy w procesach biotechnologicznych. Te naturalne fragmenty łączy się w większe, fotoreaktywne monomery – gotowe do tego, by pod odpowiednim światłem przeskoczyć na kolejny poziom organizacji.
To ważne nie tylko z perspektywy ekologii, ale i obiegu surowców. Jeśli surowcem wyjściowym są związki produkowane przez rośliny, bakterie czy organizm ludzki, to w momencie rozkładu kapsuł wracamy do substancji, które środowisko już zna i potrafi sobie z nimi poradzić.
Światło jako włącznik
Największym trikiem tej technologii jest sposób, w jaki z monomerów powstają kapsuły. Zamiast klasycznej polimeryzacji z udziałem inicjatorów i katalizatorów chemicznych, badacze wykorzystują tzw. interfacjalną fotocyklododawkę. Brzmi skomplikowanie, ale idea jest zaskakująco prosta.
Monomery z grupami cynamonianowymi umieszcza się w postaci mikrocząstek w wodzie, z dodatkiem substancji stabilizujących zawiesinę. Granica między taką cząstką a otaczającą ją wodą – interfejs – staje się sceną reakcji. Po oświetleniu odpowiednią długością fali (w eksperymentach stosowano diody LED emitujące krótkofalowe UV) fragmenty cząsteczek zaczynają ze sobą reagować, tworząc mostki i sieć polimerową.
Reakcja zachodzi głównie na powierzchni cząstek, przez co w naturalny sposób tworzy się cienka, gęsto usieciowana skorupka. Środek pozostaje słabiej związany i może zostać wypłukany w trakcie późniejszego mycia, zostawiając po sobie niezagospodarowaną przestrzeń – klasyczną, pustą w środku kapsułę polimerową.
Co istotne, cały proces zachodzi w wodzie i nie wymaga żadnych dodatkowych katalizatorów czy inicjatorów, które potem trzeba byłoby usuwać. W ten sposób powstają mikroskopijne, puste w środku kulki o rozmiarze kilku mikrometrów, z gładką, dobrze zdefiniowaną skorupą grubości około jednej dziesiątej mikrometra.
Stabilne przez rok, ale od razu gotowe na rozpad
Nowe kapsuły mają cechy, które z punktu widzenia przemysłu są naprawdę bardzo ważne. Po pierwsze – są stabilne podczas magazynowania. W warunkach przechowywania zachowują strukturę przez co najmniej rok, co oznacza, że można je spokojnie zapakować w kosmetyk, detergent albo preparat rolniczy i nie martwić się, że rozpadną się na półce sklepowej.
Świetnie nadają się także do przenoszenia małych cząsteczek: barwników fluorescencyjnych czy substancji zapachowych. Badacze pokazali, że można je zamknąć wewnątrz kapsuł, a skorupka pozostaje szczelna, dopóki nie zadziałamy na nią w kontrolowany sposób.
I tu pojawia się największa przewaga nad tradycyjnymi kapsułami z tworzyw petrochemicznych. Nowe materiały są już z samej definicji rozkładalne. Projekt kapsuły zawiera w sobie słabe miejsca – wiązania estrowe, które przy odpowiednich warunkach można łatwo rozerwać.
Rozpad może przebiegać dwoma drogami. Pierwsza to fotodegradacja – naświetlenie krótszą długością fali światła, które wywołuje reakcję odwracającą część procesów zachodzących przy łączeniu. Druga to klasyczna hydroliza, czyli rozcinanie wiązań estrowych przez wodę, zwłaszcza w warunkach sprzyjających takim reakcjom (odpowiednie pH, obecność enzymów itp.).
Co więcej, dobierając konkretne podstawniki w monomerach, można regulować, jaką długością fali światła budujemy kapsuły, a jaką je rozbrajamy. To otwiera drogę do materiałów, które będzie można selektywnie rozkładać, np. przy użyciu określonego typu lamp w procesie recyklingu albo dezaktywacji produktu.
Skala przemysłowa bez utraty bezpieczeństwa procesu
Wiele pomysłów na ekologiczne materiały dosłownie tonie w laboratorium, bo po prostu nie da się ich sensownie skalować. W tym przypadku zespół z Osaki zadbał również o ten element. Pokazano, że syntezę kapsuł można powiększyć nawet stukrotnie względem klasycznych ustawień laboratoryjnych, korzystając z mocniejszych lamp LED zamiast delikatnych źródeł światła.
Co istotne, proces nadal odbywa się w wodzie, bez agresywnych rozpuszczalników i dodatkowych katalizatorów. To z punktu widzenia przemysłu kosmetycznego czy farmaceutycznego duży atut: prostsze linie technologiczne, mniej odpadów, łatwiejsza kontrola bezpieczeństwa.
Krok w stronę znikających plastiku i chemii
Nowe kapsuły polimerowe nie rozwiążą oczywiście problemu mikroplastiku same z siebie, ale pokazują, że można projektować materiały w inny sposób: od razu z myślą o ich końcu życia. Zamiast wiecznych tworzyw dostajemy struktury, które są stabilne wtedy, kiedy tego potrzebujemy, i podatne na rozkład wtedy, kiedy stają się odpadem.
Przeczytaj także:
Dla firm kosmetycznych, chemicznych czy rolniczych to szansa na utrzymanie efektów, do których przyzwyczaili konsumentów, przy jednoczesnym ograniczeniu wpływu na środowisko. Dla naukowców jest to z kolei pierwszy dowód, że fotochemia i monomery z natury mogą wspólnie zbudować coś więcej niż kolejną eksperymentalną ciekawostkę.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
