Forskare under ledning av Takuzo Aida vid RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) i Japan har överträffat sig själva i sin strävan att lösa vårt mikroplastproblem.
I en studie publicerad i Journal of the American Chemical Society rapporterar de om en ny typ av plast tillverkad av växtcellulosa, världens vanligaste organiska förening. Den nya plasten är stark, flexibel och kan brytas ned snabbt i naturliga miljöer, vilket skiljer den från andra plaster som marknadsförs som biologiskt nedbrytbara.
Mikroplaster är en global förorening som finns i nästan alla ekosystem, från jord och hav till de djur och växter som lever där. De har till och med hittats i mänsklig vävnad och blodomlopp, där de sannolikt har negativa effekter.
Även om biologiskt nedbrytbara plaster och till och med plaster som härrör från cellulosa inte är något nytt, bryts de flesta plaster som märks som ”biologiskt nedbrytbara” inte ned i marina miljöer eller så tar det mycket lång tid för dem att brytas ned, vilket innebär att mikroplaster kvarstår under tiden.
Tidigare genombrott och nya utvecklingar
Förra året utvecklade Aida och hans team en plast som snabbt kunde brytas ned i saltvatten inom några timmar, utan att lämna några mikroplaster efter sig. Den plasten var en supramolekylär plast tillverkad av två polymerer som hölls samman av reversibla interaktioner.
I närvaro av saltvatten bröts bindningarna som höll ihop de två polymererna och plasten sönderdelades. Men denna plast var inte så praktisk som den kunde vara för tillverkning i verkligheten.
Den nya växtbaserade plasten är liknande, förutom att en av de två polymererna är ett kommersiellt tillgängligt, FDA-godkänt, biologiskt nedbrytbart trämasse-derivat som kallas karboximetylcellulosa.
Det tog lite tid att hitta en kompatibel andra polymer, men till slut hittade teamet ett säkert tvärbindningsmedel tillverkat av positivt laddade polyetenimin-guanidiniumjoner. När cellulosa- och guanidiniumjonerna blandades i rumstempererat vatten drog de negativt och positivt laddade molekylerna till varandra som magneter och bildade det kritiska tvärbundna nätverk som gör denna typ av plast stark.
Samtidigt bröts saltbryggorna som höll ihop nätverket som förväntat i närvaro av saltvatten. För att undvika oavsiktlig nedbrytning kan plasten skyddas med en tunn beläggning på ytan.
Förbättrad flexibilitet och prestanda
Hittills så bra. Men även om den nya plasten sönderdelades snabbt, led den inledningsvis av att vara för spröd på grund av cellulosa. Den resulterande plasten var färglös, transparent och extremt hård, men hade en ömtålig glasliknande kvalitet.
Vad teamet behövde var en bra mjukgörare, någon liten molekyl som de kunde tillsätta blandningen för att göra plasten mer flexibel, men ändå behålla dess hårdhet. Efter mycket experimenterande upptäckte de att det organiska saltet kolinklorid gjorde underverk.
Genom att tillsätta varierande mängder av denna FDA-godkända livsmedelstillsats till plasten kunde forskarna finjustera exakt hur flexibel de ville att plasten skulle vara.
Beroende på mängden kolinklorid kan plasten variera från att vara hård och glasliknande till att vara så elastisk att den kan sträckas upp till 130 % av sin ursprungliga längd. Den kan till och med göras till en stark men tunn film med en tjocklek på endast 0,07 mm.
Schematisk bild som visar hur cellulosa och polyetenimin-guanidinium kombineras i vatten för att bilda den initiala glasartade och transparenta cellulosabaserade plastfilmen. Därefter upptäckte forskarna hur man kan justera dess mekaniska egenskaper med hjälp av det organiska saltet kolinklorid. Källa: RIKEN
Potentiell inverkan och framtida tillämpningar
Förbättringarna av den ursprungliga designen är inte obetydliga. ”Vår initiala studie fokuserade främst på det konceptuella”, förklarar Aida, ”men den här studien visar att vårt arbete nu befinner sig i ett mer praktiskt skede.”
Den nya supramolekylära plasten av karboximetylcellulosa, kallad CMCSP, är lika stark som konventionell plast baserad på petroleum och dess mekaniska egenskaper kan justeras efter behov utan att den inneboende transparensen, bearbetbarheten, dissocierbarheten i havsvatten eller återvinningsbarheten i slutna kretslopp försämras.
Genom att använda vanliga och billiga FDA-godkända biologiskt nedbrytbara ingredienser har Aida och hans team säkerställt att deras plast snabbt kan överföras till praktiska tillämpningar i verkligheten.
”Naturen producerar cirka en biljon ton cellulosa varje år”, säger Aida. ”Från denna rikliga naturliga substans har vi skapat ett flexibelt men ändå tåligt plastmaterial som bryts ned säkert i havet. Denna teknik kommer att bidra till att skydda jorden från plastföroreningar.”
Mer information: Zhenghong Chen et al, Supramolecular Ionic Polymerization: Cellulose-Based Supramolecular Plastics with Broadly Tunable Mechanical Properties, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c16680
