La plastica perfetta?
A base vegetale, completamente degradabile in acqua salata, zero microplastiche
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I ricercatori guidati da Takuzo Aida del RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Giappone si sono superati nel tentativo di risolvere il problema della microplastica. In un recente studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, hanno presentato un nuovo tipo di plastica ricavata dalla cellulosa vegetale, il composto organico più abbondante al mondo. La nuova plastica è forte, flessibile e in grado di decomporsi rapidamente negli ambienti naturali, distinguendosi da altre plastiche commercializzate come biodegradabili.
Schema che mostra come la cellulosa e il polietilene-imina guanidinio si combinano in acqua per formare il film plastico iniziale a base di cellulosa, vetroso e trasparente. Successivamente, i ricercatori hanno scoperto come regolare le sue proprietà meccaniche utilizzando il sale organico cloruro di colina.
RIKEN
Le microplastiche sono un contaminante globale che si trova in quasi tutti gli ecosistemi, dal suolo e dall'oceano agli animali e alle piante che vi vivono. Sono state trovate persino nei tessuti umani e nel flusso sanguigno, dove probabilmente hanno effetti negativi. Sebbene le plastiche biodegradabili e persino alcune plastiche derivate dalla cellulosa (nitrato di cellulosa o acetato di cellulosa) non siano una novità, la maggior parte delle plastiche etichettate come "biodegradabili" non si degradano negli ambienti marini o impiegano molto tempo per degradarsi, lasciando nel frattempo delle microplastiche.
L'anno scorso, Aida e il suo team hanno sviluppato una plastica in grado di degradarsi rapidamente in acqua salata nel giro di alcune ore, senza lasciare microplastiche. Si tratta di una plastica supramolecolare composta da due polimeri tenuti insieme da interazioni reversibili chiamate "ponti salini". In presenza di acqua salata, i legami che tenevano insieme i due polimeri si sono sciolti e la plastica si è decomposta. Ma questa plastica non era così pratica da poter essere prodotta nel mondo reale.
La nuova plastica a base vegetale è simile, tranne per il fatto che uno dei due polimeri è un derivato della polpa di legno biodegradabile, disponibile in commercio e approvato dalla FDA, chiamato carbossimetilcellulosa. Per trovare un secondo polimero compatibile ci sono voluti un po' di tentativi ed errori, ma alla fine il team ha trovato un agente reticolante sicuro fatto di ioni di polietilene-imina-guanidinio con carica positiva. Quando la cellulosa e gli ioni di guanidinio sono stati mescolati in acqua a temperatura ambiente, le molecole caricate negativamente e positivamente si sono attratte come magneti e hanno formato la rete reticolata critica che rende forte questo tipo di plastica. Allo stesso tempo, i ponti salini che tengono insieme la rete si sono rotti, come previsto in presenza di acqua salata. Per evitare una decomposizione involontaria, la plastica può essere protetta con un sottile rivestimento sulla superficie.
Fin qui tutto bene. Ma anche se la nuova plastica si decomponeva rapidamente, inizialmente era troppo fragile a causa della cellulosa. La plastica risultante era incolore, trasparente ed estremamente dura, ma aveva una fragile qualità simile al vetro. Il team aveva bisogno di un buon plastificante, una piccola molecola da aggiungere alla miscela per rendere la plastica più flessibile, pur rimanendo dura. Dopo molti esperimenti, hanno scoperto che il sale organico cloruro di colina faceva miracoli. Aggiungendo alla plastica quantità variabili di questo additivo alimentare approvato dalla FDA, i ricercatori hanno potuto regolare con precisione la flessibilità che volevano ottenere. A seconda della quantità di cloruro di colina, la plastica può variare dall'essere dura e simile al vetro all'essere così elastica da poter essere allungata fino al 130% della sua lunghezza originale. Può anche essere trasformata in una pellicola resistente ma sottile, con uno spessore di soli 0,07 mm. Un video di una borsa realizzata con la nuova plastica biodegradabile a base vegetale può essere visto in decomposizione qui: https://youtu.be/glBYYhk1STQ .
I miglioramenti rispetto al progetto originale non sono banali. "Mentre il nostro studio iniziale si concentrava soprattutto sul piano concettuale", spiega Aida, "questo studio dimostra che il nostro lavoro è ora in una fase più pratica". La nuova plastica supramolecolare a base di carbossimetilcellulosa, denominata CMCSP, è resistente come le plastiche convenzionali a base di petrolio e le sue proprietà meccaniche possono essere regolate a seconda delle necessità, senza compromettere la trasparenza intrinseca, la lavorabilità, la dissociabilità in acqua di mare o la riciclabilità a ciclo chiuso. Utilizzando ingredienti biodegradabili comuni e poco costosi, approvati dalla FDA, Aida e il suo team hanno assicurato che la loro plastica sarà in grado di passare rapidamente alle applicazioni pratiche del mondo reale.
"La natura produce ogni anno circa mille miliardi di tonnellate di cellulosa", spiega Aida. "Da questa abbondante sostanza naturale, abbiamo creato un materiale plastico flessibile ma resistente che si decompone in modo sicuro nell'oceano. Questa tecnologia contribuirà a proteggere la Terra dall'inquinamento da plastica".
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