Mikroplastik dostał drugie życie. Powstała folia blokująca UV

Mikroplastik zwykle jest ostatnim etapem życia tworzywa: coś pęka, ściera się i rozpada na fragmenty tak małe, że bardzo trudno je później zebrać. Naukowcy z Japonii próbują jednak bardzo ciekawie odwrócić ten kierunek. Drobiny poliamidowe zamienili w węglowe kropki kwantowe, a te dodali do przezroczystej folii, która potrafi pochłaniać promieniowanie UV. Najlepsza wersja zatrzymywała 73,1 proc. UVB i niemal 90 proc. UVC.

Na sam początek jedno bardzo ważne doprecyzowanie: naukowcy nie zebrali po prostu mikroplastiku, nie zmieszali go z PVA i nie wytłoczyli z niego folii do pakowania żywności. Poliamidowe cząstki potraktowali jako surowiec chemiczny. W wysokiej temperaturze i pod ciśnieniem rozłożyli ich strukturę, a następnie przekształcili ją w węglowe kropki kwantowe. Dopiero te nanocząstki dodali do PVA.

Badacze z Saitama University wykorzystali mikroplastik poliamidowy jako surowiec węglowy. Poliamidy znamy przede wszystkim pod zbiorczą nazwą nylonów. Wykorzystuje się je w odzieży, sieciach i żyłkach, elementach technicznych, opakowaniach i wielu innych produktach.

Podczas zużywania mogą uwalniać niewielkie fragmenty trafiające później do wody i gleby. Zespół poddał taki materiał hydrotermalnej karbonizacji. W uproszczeniu oznacza to prowadzenie reakcji w wodzie, przy podwyższonej temperaturze i ciśnieniu, w której pierwotna struktura polimeru zostaje przebudowana w maleńkie struktury bogate w węgiel. Produktem nie są więc już kawałki nylonu o nieco mniejszym rozmiarze. Powstają węglowe kropki kwantowe.

Węglowe kropki kwantowe to nanocząstki mające zwykle mniej niż 10 nm. Dla porównania włos człowieka ma średnicę liczoną w dziesiątkach tysięcy nanometrów. Mówimy więc o strukturach kilka tysięcy razy mniejszych. Ich najważniejszą właściwością nie jest jednak sam rozmiar.

Kropki węglowe potrafią pochłaniać światło o określonych energiach, a następnie emitować część energii jako światło o innej długości fali. Mogą więc fluorescencyjnie świecić i selektywnie oddziaływać z promieniowaniem.

Warto jednak zauważyć, że to nie są dokładnie te same półprzewodnikowe kropki kwantowe, które trafiają do wyświetlaczy QLED. Mechanizm ich właściwości optycznych jest bardziej złożony i bardzo mocno zależy m.in. od powierzchni cząstek, defektów oraz znajdujących się na niej grup chemicznych. Właśnie dlatego można je stroić.

Jak pisaliśmy w Bizblogu przy okazji kropek kwantowych w plastikowych opakowaniach, nanomateriały mogą nadawać zwykłemu opakowaniu zupełnie nowe funkcje. W tamtym przypadku chodziło o identyfikację i śledzenie pochodzenia tworzywa. Tutaj zadanie jest inne: zatrzymać część promieniowania, zanim dotrze do żywności.

Badacze przygotowali aż cztery odmiany nanomateriału. Pierwsza powstała bez dodatkowych modyfikacji. Drugą poddano utlenianiu przy użyciu nadtlenku wodoru. W kolejnych strukturę zmodyfikowano dodatkowo borem lub azotem.

Atomy domieszki oraz dodatkowe defekty zmieniają układ poziomów energetycznych materiału. To wpływa na to, jakie światło cząstka pochłania i jakie później emituje. W fizyce materiałów mówi się o inżynierii defektów. Zamiast dążyć do stworzenia idealnego kryształu bez niedoskonałości, celowo wprowadza się zaburzenia, ponieważ właśnie one nadają materiałowi pożądaną funkcję.

W zależności od wariantu przerwa energetyczna kropek wynosiła od 4,07 do 2,97 eV, a maksimum emitowanego światła przesuwało się od 408 do 489 nm. To zakres mniej więcej od fioletowo-niebieskiej do niebieskozielonej części widma.

Zmieniała się również sama wydajność fluorescencji. Najlepsze próbki osiągały wydajność kwantową sięgającą 63 proc., podczas gdy słabsze zaczynały od około 11 proc. Dla przyszłego opakowania najważniejsze było jednak nie to, jak efektownie materiał świeci. Liczyło się, ile ultrafioletu potrafi zatrzymać.

Gotowe kropki wymieszano z PVA, czyli poli(alkoholem winylowym). Jest to przezroczysty polimer, który dobrze tworzy cienkie i elastyczne warstwy. Wykorzystuje się go w wielu zastosowaniach materiałowych i od dawna bada się go jako bazę przyszłych folii opakowaniowych. Ma jednak jeden bardzo słaby punkt: sam z siebie nie jest szczególnie dobrym filtrem promieniowania ultrafioletowego. Dodanie kropek węglowych wyraźnie to jednak zmieniło.

Najlepszy kompromis osiągnięto w materiale zawierającym kropki utlenione i domieszkowane borem. Folia blokowała 89,1 proc. promieniowania UVC, 73,1 proc. UVB oraz 57,1 proc. UVA. Nie oznacza to jednak, że działała jak absolutna tarcza odcinająca całe promieniowanie ultrafioletowe.

Różnice między poszczególnymi zakresami są tutaj paradoksalnie bardzo ważne. UVC obejmuje najbardziej energetyczną część ultrafioletu, ale promieniowanie słoneczne w tym zakresie jest niemal całkowicie zatrzymywane przez atmosferę. W praktycznym opakowaniu wystawionym na światło dzienne większe znaczenie mają więc UVA i UVB. To właśnie UVA stanowi zdecydowaną większość ultrafioletu docierającego do powierzchni Ziemi, podczas gdy UVB jest mniej, ale ma większą energię.

Najlepsza folia zatrzymywała więc dużą część UV, a jednocześnie pozostawała częściowo przezroczysta. Dzięki temu mogła chronić zawartość przed promieniowaniem, nie zamieniając opakowania w całkowicie nieprzezroczystą osłonę.

W przypadku żywności najprostszy sposób ochrony przed światłem znamy tak naprawdę od bardzo dawna: wystarczy przecież po prostu użyć nieprzezroczystego opakowania. Właśnie dlatego część produktów trafia do puszek, kartonów czy ciemnego szkła.

Problem jednak tkwi w tym, że w wielu przypadkach producent i klient chcą widzieć zawartość bez konieczności otwierania opakowania. Przezroczysta folia pozwala szybko ocenić wygląd owoców, warzyw czy pieczywa, ale jednocześnie trudniej wyposażyć ją w skuteczny filtr UV. Im więcej materiału pochłaniającego światło dodamy, tym lepiej chronimy zawartość, ale tym mniej przezroczyste staje się opakowanie.

Nowa folia próbuje właśnie znaleźć kompromis między tymi wymaganiami. Wariant z borem zachował przepuszczalność światła widzialnego na poziomie 63,4 proc. Nie jest więc tak przejrzysty jak idealnie czysta folia spożywcza, ale nadal przepuszcza większość światła potrzebnego do obejrzenia zawartości. Jednocześnie materiał zachowywał właściwości fluorescencyjne podczas testu naświetlania. Po 50 min ciągłej ekspozycji badane folie zachowywały od 67 do 85 proc. początkowej intensywności fluorescencji, a wariant borowy należał do najbardziej stabilnych.

Pamiętajmy, że promieniowanie ultrafioletowe nie jest dla żywności obojętne. Może przyspieszać utlenianie, przyczyniać się do degradacji części pigmentów i witamin oraz wpływać na tłuszcze, a w efekcie zmieniać kolor, smak i zapach produktu. Właśnie dlatego oleje często sprzedaje się w ciemnych butelkach – światło przyspiesza utlenianie lipidów. Podobny problem dotyczy produktów mlecznych, napojów i świeżych owoców, które po zbiorze dodatkowo tracą wodę i przechodzą naturalne procesy biologiczne skracające ich trwałość.

Badacze nie poprzestali więc na sprawdzeniu, ile światła przechodzi przez kawałek folii. Chcieli zobaczyć, czy materiał rzeczywiście pomoże chronić żywność. Zapakowali więc w niego winogrona.

Eksperyment przechowywania trwał aż 8 dni. Okazuje się, że winogrona umieszczone w najlepiej działającej folii z borowymi kropkami węglowymi straciły średnio 14,8 proc. początkowej masy. Wynik był zbliżony do osiągniętego przy zastosowaniu komercyjnego opakowania z polietylenu dużej gęstości.

Przeczytaj także:

Nie da się jednak przypisać tego wyniku samemu filtrowaniu UV. Folia jednocześnie ogranicza ucieczkę wody z winogron i zmienia wilgotność w ich bezpośrednim otoczeniu. Badacze zmierzyli więc efekt działania całego opakowania, a nie osobno wpływ nanokropek na promieniowanie ultrafioletowe.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI