徹底告別塑料污染？科學(xué)家造出“可逆型”高性能塑料

圖蟲創(chuàng)意

塑料輕便耐用，不僅在日常生活中隨處可見，還被廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。像飛機零件或心臟支架這樣的高性能塑料，既堅固，又耐高溫，但是他們的生產(chǎn)依賴不可再生的石油資源，而且化學(xué)結(jié)構(gòu)太穩(wěn)定，導(dǎo)致回收難度大，通常只能焚燒或填埋處理，污染環(huán)境。讓人不禁想：如果有一種塑料，生產(chǎn)不依賴石油，又能零污染回收就太好了。

美國康奈爾大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了一種新型塑料，完美符合了這些要求。2025年 1 月 29 日，美國康奈爾大學(xué)的科研團隊在《Nature》 上發(fā)表了一篇名為《Degradable thermosets via orthogonal polymerizations of a single monomer》（通過單一單體的正交聚合制備可降解熱固性塑料）論文。這項研究為3D打印材料的可持續(xù)發(fā)展提供了全新的解決方案。

為什么這種新型塑料不需要石油，又能零污染回收？我們真的能告別塑料污染了嗎？

再回答這些問題之前，我們先需要了解塑料的化學(xué)本質(zhì)。

塑料的特性由它的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定。傳統(tǒng)高性能塑料的制造過程是先讓單體小分子聚合成長鏈，再通過化學(xué)鍵形成類似“鋼筋骨架”般的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。交聯(lián)越密集，塑料的硬度和耐熱性就越高。然而，傳統(tǒng)工藝中長鏈的生長和交聯(lián)是同步進行的，科學(xué)家難以精準(zhǔn)控制交聯(lián)密度。此外，這些交聯(lián)結(jié)構(gòu)一旦形成就極難拆解，就像許多根隨機纏繞在一起的耳機線，既無法控制打結(jié)的數(shù)量，也很難解開。所以無法有效回收再利用，最終只能焚燒或填埋。

美國康奈爾大學(xué)的研究團隊選擇了一種生物基原料——2,3-二氫呋喃（簡稱DHF）。這種從植物纖維中提取的小分子在20世紀(jì)50年代曾被嘗試用于制造環(huán)保塑料，但因為成品太軟而被淘汰。2023年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)聚合后的DHF仍具有可反應(yīng)的化學(xué)基團，有潛力形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用它作為原料，可以擺脫對石油原料的依賴。

研究團隊首先利用了一種能夠剪開并重組分子環(huán)的諾貝爾獎成果：格拉布斯第二代催化劑（簡稱G2）。用它對DHF進行處理，使其首尾相連聚合成柔軟的長鏈。接著，通過另一種催化劑，在光照條件下激活長鏈上的碳-碳雙鍵，這些雙鍵就像“分子連接點”一樣，能夠與更多的DHF單體分子結(jié)合，形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

通過精準(zhǔn)控制兩種催化反應(yīng)的時間，可以調(diào)整長鏈與交聯(lián)結(jié)構(gòu)的密度比例，從而決定材料的軟硬程度。這種新型塑料能夠適應(yīng)從硅膠到飛機外殼的各種應(yīng)用場景，最高可耐300攝氏度，而且由于軟硬結(jié)構(gòu)的巧妙結(jié)合，韌性比傳統(tǒng)高強度塑料高出6倍。

除了性能優(yōu)異，這種塑料的回收方式也非常靈活。

真空降解：在40攝氏度的真空條件下，塑料的DHF長鏈和交聯(lián)結(jié)構(gòu)會同時降解。

酸降解：使用鹽酸可以只溶解柔軟的長鏈，留下高密度的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，適合制造更高硬度的產(chǎn)品；

氧化降解：在雙氧水和二價鐵離子的作用下，可以只降解交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使長鏈比例增加，從而讓塑料變得更軟。

而且，降解的部分會變成原料，直接用于制造新的塑料。通過調(diào)整降解方式，廢棄塑料也可直接轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品。例如，將舊飛機外殼降解后，保留高強度交聯(lián)結(jié)構(gòu)，再加入新的長鏈，就能制成耐沖擊的汽車零件。這不僅大大降低了新品再造的成本，且回收過程幾乎零污染。

不過，盡管性能卓越，這種塑料仍有局限性。首先是毒性的問題。合成過程中使用的G2催化劑存在顏色深，毒性強的問題，可能會影響在食品包裝，生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管研究團隊通過降解步驟去除了催化劑，但增加了額外的工序，生產(chǎn)成本上升，限制了規(guī)?；a(chǎn)的可能性。

其次是降解的問題，當(dāng)材料的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度過高時，頑固的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會顯著降低降解效率，無法實現(xiàn)完全降解。在這種情況下，真空降解只能回收20%的DHF，仍有80%的塑料殘留。即便三種降解方式輪流來一遍，也只能回收71%，有29%的塑料殘留難以處理。

此外，生產(chǎn)過程中，由于交聯(lián)步驟需要光照激活，光的顏色，亮度對塑料的性能影響很大。因此對于比較厚的，不透光的塑料，會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，“外硬內(nèi)軟”，限制了在建筑材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。

最后， 雖然酸降解和真空降解是回收的前提，但也會影響這種新型塑料在弱酸環(huán)境和真空環(huán)境下的壽命，在酸雨地區(qū)和外太空很容易老化。

但這些問題并非無解。研究團隊正在嘗試使用低毒性催化劑以及探索更高效的降解手段，以提高塑料的可用性和回收的完整性。

如果這些問題能夠解決，這項技術(shù)將真正顛覆塑料的生產(chǎn)和回收模式，塑料的污染問題將迎來革命性的改變。這項新技術(shù)的出現(xiàn)，不僅為解決塑料環(huán)保回收的難點提供了新的思路，更顛覆了傳統(tǒng)的材料設(shè)計邏輯——未來的塑料或許能像樂高積木一樣，可以隨時拆解重組；而當(dāng)產(chǎn)品的壽命終結(jié)時，等待它們的不再是垃圾場，而是像按下重置鍵般開啟新生?？傆幸惶?，塑料不再是環(huán)境問題的代名詞，而是可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟的重要部分。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：高嘉祥 科普作者

審核：穆云松 中國人民大學(xué)化學(xué)與生命資源學(xué)院 副院長

出品：中國科協(xié)科普部

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