Chemicy Rutgers Opracowali Tworzywa Sztuczne Samodzielnie Niszczące Się na Wzór Polimerów Naturalnych

Doktor Yuwei Gu, chemik z Uniwersytetu Rutgersa, zainicjował nowatorską strategię walki z zanieczyszczeniem tworzywami sztucznymi po obserwacji porzuconych plastikowych butelek podczas wędrówki po Parku Stanowym Bear Mountain w Nowym Jorku. To spostrzeżenie skłoniło go do fundamentalnego pytania: dlaczego polimery syntetyczne utrzymują się w środowisku w nieskończoność, podczas gdy naturalne, długołańcuchowe cząsteczki, takie jak DNA i RNA, ulegają samoistnemu rozpadowi. Yuwei Gu, profesor nadzwyczajny na Rutgers od 2023 roku, koncentruje swoje badania na makromolekularnej biomimikrze, dążąc do projektowania systemów dorównujących złożonością strukturom biologicznym.

Zespół Gu opracował strategię chemiczną umożliwiającą tworzenie tworzyw sztucznych zdolnych do samozniszczenia w zaprogramowanym tempie, co ma stanowić przełom w globalnym problemie odpadów polimerowych. Ich innowacyjne podejście, nazwane „preorganizacją konformacyjną”, naśladuje mechanizmy polimerów naturalnych poprzez włączanie grup pomocniczych, które ułatwiają pękanie wiązań chemicznych w odpowiednim momencie. Zamiast wprowadzać nowe typy wiązań, strategia ta modyfikuje ułożenie przestrzenne istniejących wiązań, czyniąc je podatnymi na rozkład w warunkach codziennego użytkowania, eliminując potrzebę stosowania ostrych chemikaliów lub wysokiej temperatury.

Praca ta, opublikowana w czasopiśmie Nature Chemistry 28 listopada 2025 roku, zademonstrowała możliwość inżynieryjnego projektowania tworzyw sztucznych do degradacji w cyklach trwających dni, miesiące lub lata, dopasowując żywotność materiału do jego faktycznego przeznaczenia. Kluczowa innowacja polega na przesunięciu zespołu konformacyjnego – czyli zakresu i częstotliwości geometrii molekularnych, jakie łańcuchy polimerowe mogą przyjąć – w kierunku stanów reaktywnych. Ujmując to prościej, trójwymiarowy kształt polimeru jest wstępnie zaaranżowany tak, by wiązania podatne na zerwanie były bardziej wyeksponowane lub optymalnie pozycjonowane do ataku przez pobliskie grupy nukleofilowe. Ta technika radykalnie wpływa na szybkość degradacji; kontrolując orientację i pozycjonowanie, można zaprogramować ten sam plastik do rozkładu w ciągu dni, miesięcy lub lat.

Badacze zintegrowali również funkcję przełącznika, pozwalającą na wyzwolenie rozkładu za pomocą specyficznego światła ultrafioletowego lub jonów metali, co zapewnia dodatkową kontrolę nad procesem. Wstępne testy laboratoryjne sugerują, że płynny produkt rozkładu jest nietoksyczny, choć pełne potwierdzenie tego aspektu wymaga dalszych badań. W kontekście globalnym, w 2022 roku odrzucono ponad ćwierć miliarda ton plastiku, z czego zaledwie 14 procent poddano recyklingowi. Prace te wpisują się w szerszy nurt nauki dążącej do przezwyciężenia dylematu: zwiększenie podatności wiązań często odbywa się kosztem wytrzymałości mechanicznej, a zwiększenie stabilności opóźnia degradację.

Zespół Gu, pracujący w Piscataway, New Jersey, dąży do osiągnięcia materiałów, które dorównują złożonością systemom biologicznym, co może przynieść nowe rozwiązania w dziedzinie biotechnologii, opieki zdrowotnej i zrównoważonego rozwoju. Badacze aktywnie poszukują partnerów do komercjalizacji i testów kompatybilności, mając na celu, by materiały po spełnieniu swojej funkcji naturalnie znikały.