Dzięki wbudowanemu miejscu przewidzianemu do zerwania Naukowcy opracowują biodegradowalny polistyren

Polistyren należy do najważniejszych tworzyw sztucznych na świecie, ale dotychczas uważano go za materiał mało zrównoważony. Zespół badawczy opracował teraz alternatywny rodzaj polistyrenu, który zawiera surowce odnawialne, może być produkowany w sposób energooszczędny i ulega biodegradacji. 

Znajduje się w opakowaniach ochronnych do telewizorów i urządzeń elektrycznych, w listwach dekoracyjnych i cokołowych stosowanych w wykończeniu wnętrz domów, a także w szalkach Petriego: polistyren jest jednym z najważniejszych tworzyw sztucznych na świecie. Rocznie produkuje się go prawie 20 milionów ton produkowanych. Materiał ten jest dotychczas wytwarzany głównie z ropy naftowej i praktycznie nie nadaje się do recyklingu.

Zespół badawczy kierowany przez Centrum Helmholtza Hereon ogłosił, że opracował bardziej zrównoważony rodzaj polistyrenu. „Czynniki takie jak surowce ulegające rozkładowi, zużycie energii i recykling stanowią ogromny postęp” – mówi doktorant Phannaro Nhem.  W projekcie uczestniczyli również naukowcy z Brandenburskiego Uniwersytetu Technicznego w Cottbus-Senftenbergu (BTU), Wolnego Uniwersytetu w Berlinie oraz Uniwersytetu im. Helmuta Schmidta w Hamburgu.

50 procent surowców odnawialnych

Polistyren dostępny w handlu powstaje w wyniku reakcji cząsteczek styrenu, w wyniku której tworzy się tworzywo sztuczne. W trakcie tej reakcji cząsteczki styrenu łączą się w stabilny łańcuch. Naczynie, w którym zachodzi reakcja, należy w tym celu podgrzać. 

Zespół uzupełnił cząsteczki styrenu o związek chemiczny – bezwodnik kwasu itakonowego. Można go uzyskać w drodze fermentacji z węglowodanów pochodzenia roślinnego, takich jak cukier. Polistyren zawiera wówczas około 50 procent tego surowca pochodzenia biologicznego. Zamiast podgrzewanych naczyń reakcyjnych naukowcy wykorzystali promieniowanie mikrofalowe jako źródło ciepła. 

„To tak jak w domowej kuchni. Podgrzewanie jedzenia na kuchence trwa długo i zużywa dużo energii. Kuchenki mikrofalowe działają szybciej” – mówi Phannaro Nhem. „Jak dotąd technologia mikrofalowa nie zyskała jeszcze szerokiego zastosowania w syntezie polimerów” – mówi Francesca Toma, dyrektor Instytutu Hereon ds. Materiałów Funkcjonalnych na rzecz Zrównoważonego Rozwoju. Wyniki badań wskazują jednak, że technologia ta mogłaby stać się bardziej energooszczędną alternatywą w kontrolowanych procesach polimeryzacji.

Miejsce zaprojektowane do pęknięcia w celu ułatwienia recyklingu

Ponadto zespół wykorzystał związek dibenzo[c,e]oksapan-5-tion (DOT) jako monomer, dzięki czemu do materiału wbudowano grupy tioestrowe. Elementy te pełnią w sieci polimerowej rolę celowo wbudowanych punktów pęknięcia. Dzięki temu materiał można później rozłożyć chemicznie na mniejsze fragmenty. 

„W przeciwieństwie do tradycyjnego polistyrenu nasz wariant rozpadają się w ten sposób na małe fragmenty” – wyjaśnia Nhem. Nawet bakterie są w stanie przetworzyć te małe fragmenty polistyrenu – w przeciwieństwie do klasycznego, ściśle splecionego polistyrenu. 

„Nowy polimer został opracowany zgodnie z zasadą »Design-for-Degradation«, czyli kontrolowanego rozkładu pod koniec cyklu życia” – dodaje Toma. Dzięki temu otwiera on przed polistyrenem drogę do zamkniętych obiegów materiałowych i gospodarki o obiegu zamkniętym.

Możliwe jest wiele zastosowań

Wstępne testy wskazują, że materiał ten można przetwarzać na wtryskarkach. Korzystając z obecnego sprzętu laboratoryjnego, zespół wyprodukował najpierw miniaturowe szalki Petriego wielkości monety o nominale 1 euro. W przyszłości można jednak przewidzieć wiele zastosowań. Pierwsze badania z wykorzystaniem ludzkich komórek macierzystych wskazują ponadto, że materiał ten charakteryzuje się dobrą tolerancją biologiczną i nadaje się do hodowli komórkowych równie dobrze, jak dostępny na rynku polistyren.