فئة جديدة من مواد البوليمر القابلة لإعادة التدوير يمكن أن تساعد يومًا ما في تقليل النفايات البلاستيكية

مئات الملايين من الأطنان من البلاستيك ذو الاستخدام الواحد ينتهي به الأمر في مدافن النفايات كل عام، وحتى النسبة الصغيرة من البلاستيك الذي يتم إعادة تدويره لا يمكن أن تدوم إلى الأبد.لكن مجموعتنا من علماء المواد طورت طريقة جديدة لإنشاء وتفكيك البوليمرات التي يمكن أن تؤدي إلى مواد بلاستيكية يمكن إعادة تدويرها بسهولة أكبر - تلك التي لا تتطلب منك فرز جميع عمليات إعادة التدوير بعناية في يوم القمامة.

في القرن الذي انقضى منذ ظهورها، أصبح الناس يفهمون التأثيرات الهائلة - المفيدة والضارة - للمواد البلاستيكية على حياة الإنسان والبيئة.ك مجموعة من علماء البوليمر لقد كرسنا جهودنا لابتكار حلول مستدامة لمشاكل العالم الحقيقي، وقد شرعنا في معالجة هذه المشكلة من خلال إعادة التفكير في طريقة تصميم البوليمرات وتصنيع المواد البلاستيكية القابلة لإعادة التدوير.

لماذا استخدام البلاستيك، على أي حال؟

العناصر اليومية بما في ذلك أباريق الحليب وأكياس البقالة وحاويات الوجبات الجاهزة وحتى الحبال مصنوعة من فئة من بوليمرات تسمى البولي أوليفينات.تتكون البولي أوليفينات حولها نصف البلاستيك يتم إنتاجها والتخلص منها كل عام.

تُستخدم هذه البوليمرات في المواد البلاستيكية التي تحمل علامات HDPE أو LLDPE أو PP، أو من خلال رموز إعادة التدوير رقم 2 و#4 و#5، على التوالي.هذه المواد البلاستيكية متينة بشكل لا يصدق لأنها الروابط الكيميائية التي تجعلها مستقرة للغاية.ولكن في عالم معد للاستهلاك مرة واحدة، لم تعد هذه ميزة تصميمية بل عيبًا في التصميم.

تخيل لو أن نصف المواد البلاستيكية المستخدمة اليوم يمكن إعادة تدويرها بضعف عدد العمليات التي تتم الآن.في حين أن ذلك لن يصل بمعدل إعادة التدوير إلى 100%، إلا أن ذلك يمثل قفزة من رقم واحد – حاليا حوالي 9% – إن مضاعفة الرقم من شأنه أن يحدث تأثيرًا كبيرًا في المواد البلاستيكية المنتجة، والمواد البلاستيكية المتراكمة في البيئة وقدرتها على إعادة التدوير وإعادة الاستخدام.

طرق إعادة التدوير لدينا بالفعل

حتى المواد البلاستيكية التي تصل إلى منشأة إعادة التدوير لا يمكن إعادة استخدامها بنفس الطريقة التي تم استخدامها من قبل - تؤدي عملية إعادة التدوير إلى تدهور المادة، وبالتالي تفقد فائدتها وقيمتها.فبدلاً من صنع كوب بلاستيكي يتم تخفيض مستواه في كل مرة يتم إعادة تدويره، من المحتمل أن يقوم المصنعون بتصنيع المواد البلاستيكية مرة واحدة، وجمعها وإعادة استخدامها مرارًا وتكرارًا.

تتطلب إعادة التدوير التقليدية فرزًا دقيقًا لجميع المواد المجمعة، وهو الأمر الذي قد يكون صعبًا مع وجود العديد من المواد البلاستيكية المختلفة.هنا في الولايات المتحدة، يتم التجميع بشكل رئيسي من خلال إعادة تدوير تيار واحد - كل شيء بدءًا من العلب المعدنية والزجاجات والصناديق الكرتونية والأكواب البلاستيكية ينتهي بها الأمر في نفس الصندوق.لا يتطلب فصل الورق عن المعدن تقنية معقدة، ولكن من الصعب القيام بفرز حاوية البولي بروبيلين من إبريق الحليب المصنوع من البولي إيثيلين دون حدوث أخطاء عرضية.

عندما يتم خلط مادتين بلاستيكيتين مختلفتين معًا أثناء إعادة التدوير، فإن خصائصهما المفيدة تقل بشكل كبير - إلى درجة مما يجعلها عديمة الفائدة.

لكن لنفترض أنه يمكنك إعادة تدوير أحد هذه المواد البلاستيكية بطريقة مختلفة، حتى لا ينتهي الأمر بتلويث مسار إعادة التدوير.عندما قمنا بخلط عينات من مادة البولي بروبيلين مع البوليمر الذي صنعناه، كنا كذلك لا تزال قادرة على إزالة البلمرة - أو تحطيم المادة - واستعادة العناصر الأساسية لدينا دون التأثير كيميائيًا على مادة البولي بروبيلين.يشير هذا إلى أن مجرى النفايات الملوثة لا يزال من الممكن استعادة قيمته، ويمكن إعادة تدوير المواد الموجودة فيه، إما ميكانيكيًا أو كيميائيًا.

البلاستيك الذي نحتاجه - ولكنه أكثر قابلية لإعادة التدوير

في دراسة نشرت في أكتوبر 2023, ، قام فريقنا بتطوير سلسلة من البوليمرات تحتوي على وحدتين أساسيتين فقط - بوليمر ناعم وبوليمر صلب - تحاكي البولي أوليفينات ولكن يمكن أيضًا إعادة تدويرها كيميائيًا.

إن ربط بوليمرين مختلفين معًا عدة مرات حتى يشكلا جزيءًا واحدًا طويلًا يخلق ما يسمى البوليمر متعدد الكتل.فقط من خلال ضبط مقدار كل نوع من البوليمر الذي يدخل في البوليمر متعدد الكتل، أنشأ فريقنا مجموعة واسعة من المواد ذات الخصائص التي تمتد عبر أنواع البولي أوليفينات.لكن إنشاء هذه البوليمرات متعددة الكتل أمر أسهل من الفعل.

لربط هذه البوليمرات الصلبة والناعمة، نحن تكييف تقنية والتي تم استخدامها سابقًا فقط على جزيئات صغيرة جدًا.تم تحسين هذه الطريقة مقارنة بالطرق التقليدية لصنع البوليمرات بطريقة خطوة بخطوة، والتي تم تطويرها في عشرينيات القرن العشرين، حيث يجب أن تكون المجموعات التفاعلية الموجودة في نهاية الجزيئات متطابقة تمامًا.

في طريقتنا، أصبحت المجموعات المتفاعلة الآن متماثلة مع بعضها البعض، مما يعني أنه لا داعي للقلق بشأن مزاوجة نهايات كل وحدة بناء لصنع بوليمرات يمكنها التنافس مع البولي أوليفينات التي نستخدمها بالفعل.باستخدام نفس الاستراتيجية، المطبقة في الاتجاه المعاكس عن طريق إضافة الهيدروجين، يمكننا فصل البوليمرات مرة أخرى إلى وحدات البناء الخاصة بها وفصلها بسهولة لاستخدامها مرة أخرى.

مع تقريبا زيادة مضاعفة في استخدام البلاستيك السنوي ومن المتوقع أن يزداد تعقيد وكمية إعادة تدوير البلاستيك حتى عام 2050.إنه اعتبار مهم عند تصميم المواد والمنتجات الجديدة.

إن استخدام وحدتين أساسيتين فقط لصنع مواد بلاستيكية ذات مجموعة كبيرة ومتنوعة من الخصائص يمكن أن يقطع شوطًا طويلاً نحو تقليل وتبسيط عدد المواد البلاستيكية المختلفة المستخدمة لصنع المنتجات التي نحتاجها.بدلًا من الحاجة إلى مادة بلاستيكية واحدة لصنع شيء مرن، وآخر لصنع شيء صلب، وثالث ورابع وخامس للخصائص بينهما، يمكننا التحكم في سلوك المواد البلاستيكية فقط عن طريق تغيير مقدار كل وحدة بناء موجودة.

على الرغم من أننا ما زلنا في طور الإجابة على بعض الأسئلة الكبيرة حول هذه البوليمرات، إلا أننا نعتقد أن هذا العمل يمثل خطوة في الاتجاه الصحيح نحو مواد بلاستيكية أكثر استدامة.

كنا قادرة على خلق المواد التي تحاكي خصائص المواد البلاستيكية التي يعتمد عليها العالم، وأنظارنا الآن موجهة نحو إنشاء تركيبات بلاستيكية لا يمكن تحقيقها باستخدام الطرق الحالية.