Um simples truque de química pode acabar com o plástico para sempre

Gu começou a pensar em polímeros, longas moléculas semelhantes a cadeias que constituem tanto materiais naturais quanto plásticos modernos. DNA e RNA são polímeros, assim como proteínas e celulose. A diferença é que os polímeros da natureza acabam por se decompor, enquanto os plásticos sintéticos permanecem frequentemente no ambiente durante décadas ou mais.

“A biologia usa polímeros em todos os lugares, como proteínas, DNA, RNA e celulose, mas a natureza nunca enfrenta o tipo de problemas de acumulação de longo prazo que vemos com os plásticos sintéticos”, disse Gu, professor assistente do Departamento de Química e Biologia Química da Escola de Artes e Ciências Rutgers.

Parado ali na floresta, o motivo de repente ficou claro para ele.

“A diferença tem que estar na química”, disse ele.

Copiando a estratégia de saída integrada da natureza

Gu percebeu que se os polímeros naturais pudessem desempenhar a sua função e depois desaparecer, os plásticos produzidos pelo homem poderiam ser capazes de fazer o mesmo. Ele já sabia que os polímeros biológicos contêm pequenas características químicas incorporadas que ajudam as suas ligações a quebrarem-se no momento certo.

“Eu pensei, e se copiarmos esse truque estrutural?” ele disse. “Poderíamos fazer com que os plásticos produzidos pelo homem se comportassem da mesma maneira?”

Essa pergunta levou a um avanço. Em um estudo publicado em Química da NaturezaGu e seus colegas da Rutgers mostraram que o uso dessa abordagem inspirada na natureza permite que os plásticos se decomponham nas condições cotidianas, sem exigir muito calor ou produtos químicos agressivos.

“Queríamos enfrentar um dos maiores desafios dos plásticos modernos”, disse Gu. “Nosso objetivo era encontrar uma nova estratégia química que permitisse que os plásticos se degradassem naturalmente nas condições cotidianas, sem a necessidade de tratamentos especiais”.

Como funcionam os polímeros e as ligações químicas

Os polímeros são feitos de muitas unidades repetidas ligadas entre si, como contas em um cordão. Os plásticos se enquadram nesta categoria, assim como o DNA, o RNA e as proteínas. DNA e RNA consistem em cadeias de unidades menores conhecidas como nucleotídeos, enquanto as proteínas são construídas a partir de aminoácidos.

O que mantém essas unidades unidas são as ligações químicas, que agem como cola no nível molecular. Nos polímeros, essas ligações conectam um bloco de construção ao outro. Ligações fortes conferem durabilidade aos plásticos, mas também dificultam sua quebra depois de descartados. A pesquisa de Gu se concentrou em projetar ligações que permaneçam fortes durante o uso, mas que se tornem mais fáceis de quebrar posteriormente, quando a degradação for desejada.

Plásticos programáveis ​​com pontos fracos integrados

Esta pesquisa faz mais do que tornar os plásticos degradáveis. Isso torna sua divisão programável.

A principal descoberta envolveu organizar cuidadosamente partes da estrutura química do plástico para que ficassem nas posições corretas para começarem a se quebrar quando acionadas. Gu compara a ideia a dobrar um pedaço de papel para que ele rasgue facilmente ao longo de uma dobra. Ao “pré-dobrar” efetivamente a estrutura em nível molecular, o plástico pode desmoronar milhares de vezes mais rápido do que o normal.

Apesar desta vulnerabilidade inerente, a composição química geral do plástico permanece inalterada. Isso significa que permanece forte e útil até o momento em que a degradação é ativada.

“Mais importante ainda, descobrimos que o arranjo espacial exato desses grupos vizinhos muda drasticamente a rapidez com que o polímero se degrada”, disse Gu. “Ao controlar a sua orientação e posicionamento, podemos projetar o mesmo plástico para se decompor ao longo de dias, meses ou até anos.”

Combinando a vida útil do plástico com os usos no mundo real

Este nível de controle permite que os plásticos sejam projetados com vida útil adequada à sua finalidade. As embalagens de alimentos podem durar apenas um dia, enquanto os componentes automotivos devem durar muitos anos. Os pesquisadores mostraram que a degradação pode ser incorporada desde o início ou ativada posteriormente usando luz ultravioleta ou íons metálicos.

As aplicações potenciais vão muito além da redução da poluição plástica. Gu disse que a mesma química pode levar a cápsulas ou revestimentos de administração programada de medicamentos que se apagam após um determinado período.

“Esta pesquisa não apenas abre as portas para plásticos mais ambientalmente responsáveis, mas também amplia a caixa de ferramentas para projetar materiais inteligentes e responsivos à base de polímeros em muitos campos”, disse ele.

Testes de segurança e o futuro

Para Gu, a visão de longo prazo é simples. Os plásticos deveriam fazer o seu trabalho e depois desaparecer.

“Nossa estratégia fornece uma maneira prática e baseada na química de redesenhar esses materiais para que eles ainda possam ter um bom desempenho durante o uso, mas depois se quebrem naturalmente”, disse ele.

Os primeiros testes laboratoriais indicam que o líquido produzido quando os plásticos se decompõem não é tóxico, embora Gu tenha enfatizado que são necessários mais testes para confirmar a segurança a longo prazo.

Olhando para trás, Gu disse que ficou surpreso ao ver que uma ideia que surgiu durante uma caminhada tranquila realmente funcionou.

“Foi uma ideia simples copiar a estrutura da natureza para atingir o mesmo objetivo”, disse ele. “Mas ver o sucesso foi incrível.”

Expandindo a pesquisa

Gu e sua equipe estão agora avançando na pesquisa. Eles estão examinando de perto se os pequenos fragmentos deixados após a decomposição do plástico representam algum risco para os organismos vivos ou ecossistemas, garantindo a segurança durante todo o ciclo de vida do material.

Eles também estão explorando como sua abordagem química poderia ser aplicada aos plásticos convencionais e integrada aos processos de fabricação existentes. Ao mesmo tempo, estão testando se o método pode ser usado para criar cápsulas que liberam medicamentos em horários cuidadosamente controlados.

Embora os desafios técnicos permaneçam, Gu acredita que o desenvolvimento contínuo, juntamente com a colaboração com fabricantes de plástico focados na sustentabilidade, poderia trazer esta química para os produtos de uso diário.

Outros cientistas da Rutgers que contribuíram para o estudo incluíram: Shaozhen Yin, um estudante de doutorado no laboratório Gu que é o primeiro autor do artigo; Lu Wang, professor associado do Departamento de Química e Biologia Química; Rui Zhang, estudante de doutorado no laboratório de Wang; N. Sanjeeva Murthy, professor associado pesquisador do Laboratório de Pesquisa de Biomateriais; e Ruihao Zhou, um ex-aluno visitante de graduação.