La scoperta di nuove plastiche ispirate ai polimeri naturali potrebbe rivoluzionare la lotta all’inquinamento. Lo sviluppo di materiali programmabili che si degradano in condizioni quotidiane, apre la strada a soluzioni più sostenibili e intelligenti per ridurre l’impatto della plastica sull’ambiente
Una svolta verde: materiali plastici che si autodistruggono grazie a un principio naturale.
Il dottor Yuwei Gu (1) stava facendo un'escursione nel Bear Mountain State Park, nello Stato di New York, quando l’ispirazione lo colpì.
Bottiglie di plastica erano sparse lungo il sentiero e altre galleggiavano su un lago vicino. Quella vista sconvolgente in un ambiente così incontaminato fece fermare il chimico della Rutgers. La natura produce molte molecole a lunga catena chiamate polimeri, tra cui DNA e RNA, e tuttavia quei polimeri naturali alla fine si degradano. I polimeri sintetici, come le plastiche, no. Perché?
«La biologia utilizza polimeri ovunque, come proteine, DNA, RNA e cellulosa, e tuttavia la natura non affronta mai il tipo di problemi di accumulo a lungo termine che osserviamo con le plastiche sintetiche», ha detto Yuwei Gu (2), professore assistente nel Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica della Rutgers School of Arts and Sciences.
Mentre era fermo nel bosco, la risposta gli venne in mente.
«La differenza deve risiedere nella chimica», disse.
Se la natura può costruire polimeri che svolgono la loro funzione e poi scompaiono, ragionò il dottor Yuwei Gu, forse anche le plastiche prodotte dall’uomo potrebbero essere realizzate per fare lo stesso. Yuwei Gu sapeva già che i polimeri naturali contengono minuscoli gruppi ausiliari incorporati nella loro struttura che rendono più facile rompere i legami chimici quando arriva il momento giusto.
«Ho pensato: e se copiassimo quel trucco strutturale?» disse. «Potremmo far comportare le plastiche prodotte dall’uomo allo stesso modo?»
L’idea funzionò. In uno studio pubblicato su Nature Chemistry (3), il dottor Yuwei Gu e un team di scienziati della Rutgers hanno dimostrato che, prendendo in prestito questo principio dalla natura, è possibile creare plastiche che si degradano in condizioni quotidiane senza calore o sostanze chimiche aggressive.
«Volevamo affrontare una delle più grandi sfide della plastica moderna», ha affermato Gu. «Il nostro obiettivo era trovare una nuova strategia chimica che consentisse alla plastica di degradarsi naturalmente nelle condizioni quotidiane senza la necessità di trattamenti speciali».
Un polimero è una sostanza composta da molte unità ripetute collegate tra loro, come perle infilate su un filo. Le plastiche sono polimeri, così come lo sono materiali naturali come DNA, RNA e proteine. Il DNA e l’RNA sono polimeri perché sono lunghe catene di unità più piccole chiamate nucleotidi. Le proteine sono polimeri costituiti da amminoacidi.
I legami chimici sono la “colla” che tiene insieme gli atomi nelle molecole. Nei polimeri, questi legami collegano ogni unità costitutiva alla successiva. Legami forti rendono le plastiche durevoli, ma le rendono anche difficili da degradare. La ricerca di Gu si è concentrata sul rendere questi legami più facili da rompere quando necessario, senza indebolire il materiale durante l’uso.
Il progresso non si limita a rendere le plastiche degradabili: rende il processo programmabile.
La chiave della scoperta è stata il modo in cui i ricercatori hanno disposto i componenti della struttura chimica della plastica affinché fossero nella posizione perfetta per iniziare a degradarsi quando attivati.
Il processo può essere paragonato a piegare un foglio di carta in modo che si strappi facilmente lungo la piega. “Pre‑piegando” la struttura, la plastica può rompersi migliaia di volte più velocemente del normale. Anche se la plastica diventa più facile da rompere quando viene attivata, la sua composizione chimica di base rimane la stessa, quindi resta forte e utile fino al momento in cui l’utente desidera che si degradi.
«La cosa più importante è che abbiamo scoperto che l’esatta disposizione spaziale di questi gruppi vicini cambia drasticamente la velocità con cui il polimero si degrada», ha detto Gu. «Controllandone l’orientamento e la posizione, possiamo progettare la stessa plastica affinché si rompa nell’arco di giorni, mesi o persino anni».
Questa capacità di regolazione fine significa che prodotti diversi possono avere una durata adeguata al loro scopo. Gli imballaggi per cibo da asporto potrebbero dover durare solo un giorno prima di disintegrarsi, mentre i componenti delle automobili devono resistere per anni. Il team ha dimostrato che la degradazione può essere incorporata nel materiale oppure attivata o disattivata tramite luce ultravioletta o ioni metallici, aggiungendo un ulteriore livello di controllo.
Le implicazioni vanno oltre la soluzione della crisi globale della plastica. Il dottor Gu racconta che «Il principio potrebbe consentire innovazioni come capsule a rilascio temporizzato di farmaci e rivestimenti auto‑cancellanti. Questa ricerca non solo apre la strada a plastiche più rispettose dell’ambiente, ma amplia anche la cassetta degli attrezzi per progettare materiali intelligenti e reattivi a base di polimeri in molti campi».
Per Gu, l’obiettivo finale è chiaro: le plastiche dovrebbero svolgere la loro funzione e poi scomparire. «La nostra strategia fornisce un modo pratico, basato sulla chimica, per riprogettare questi materiali affinché possano comunque funzionare bene durante l’uso, ma poi degradarsi naturalmente in seguito».
Dai risultati dei primi test di laboratorio è merso che il liquido prodotto dalla degradazione non è tossico. Tuttavia, secondo Gu sono necessarie ulteriori ricerche per garantirlo.
Riflettendo sul passato, Gu ha detto di essere rimasto sorpreso che l’idea nata su un tranquillo sentiero di montagna abbia effettivamente funzionato. «Era un pensiero semplice, copiare la struttura della natura per raggiungere lo stesso obiettivo. Ma vederlo funzionare è stato incredibile».
Gu e il suo team stanno ora portando la loro ricerca in diverse nuove direzioni. Essi stanno studiando in dettaglio se i minuscoli frammenti in cui la plastica si degrada siano dannosi per gli esseri viventi o per l’ambiente. Questo aiuterà a garantire che i materiali siano sicuri per l’intero ciclo di vita.
Il team sta pure esaminando come il loro processo chimico potrebbe funzionare con le plastiche comuni e integrarsi nei metodi di produzione attuali. Contemporaneamente, i ricercatori coinvolti nel progetto stanno testando se questo approccio possa essere utilizzato per realizzare capsule che rilasciano farmaci in tempi controllati.
Ci sono ancora alcune sfide tecniche, ma Gu ha sostenuto che con un ulteriore sviluppo - insieme alla collaborazione con produttori di plastica che comprendono la necessità di materiali sostenibili - la loro chimica potrebbe un giorno essere utilizzata in prodotti di uso quotidiano.
Altri scienziati della Rutgers che hanno contribuito allo studio includono: Shaozhen Yin, dottorando nel laboratorio di Gu e primo autore dell’articolo; Lu Wang, professore associato nel Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica; Rui Zhang, dottorando nel laboratorio di Wang; N. Sanjeeva Murthy, professore associato di ricerca presso il Laboratory for Biomaterials Research; e Ruihao Zhou, ex studente universitario in visita.
Riferimenti:
(1) Yuwei Gu
(2) The Gu Lab
Descrizione foto: Un campione di plastica poli (diciclopentadiene), un materiale spesso utilizzato nei paraurti delle auto e nelle attrezzature agricole che è difficile da degradare, realizzato con il processo degli scienziati della Rutgers utilizzando sostanze chimiche degradabili. La struttura chimica è progettata in modo che la plastica inizi a rompersi da sola entro pochi giorni in condizioni ambientali normali. A sinistra c'è il campione originale; a destra lo stesso campione dopo 18 ore all'aria aperta. - Credit: Gu Lab.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists Develop Plastics That Can Break Down, Tackling Pollution