一个简单的化学方法有望解决塑料污染难题

顾教授开始思考聚合物——这种构成天然材料和现代塑料的长链状分子。DNA、RNA、蛋白质和纤维素都是聚合物，但天然聚合物最终会分解，而合成塑料却常能在环境中留存数十年甚至更久。

罗格斯大学文理学院化学与化学生物学系助理教授顾表示：“生物学随处使用聚合物，如蛋白质、DNA、RNA和纤维素，但自然界从未面临我们在合成塑料中看到的那种长期积累问题。”

站在树林里时，他突然明白了原因：“差异一定在于化学性质。”

复制自然界的“内置退出策略”：顾意识到，如果天然聚合物能在发挥作用后消失，人造塑料或许也能如此。他早已知道，生物聚合物含有内置的小型化学特征，有助于其化学键在适当时刻断裂。“我想，要是我们复制这种结构技巧会怎样？”他说，“我们能让人造塑料也这样吗？”

这个问题带来了突破。在《自然·化学》发表的一项研究中，顾和他的罗格斯大学同事表明，采用这种仿生方法能让塑料在日常条件下分解，无需高温或强化学物质。“我们想解决现代塑料的最大挑战之一，”顾说，“我们的目标是找到一种新的化学策略，让塑料在日常条件下自然降解，无需特殊处理。”

聚合物与化学键的作用原理：聚合物由许多重复单元连接而成，很像串在绳子上的珠子。塑料、DNA、RNA和蛋白质都属于这一类。DNA和RNA由称为核苷酸的小单元链组成，而蛋白质由氨基酸构成。

将这些单元连接在一起的是化学键，它们在分子层面就像胶水。在聚合物中，这些键将一个构建单元连接到下一个。强键赋予塑料耐用性，但也使它们一旦被丢弃就难以分解。顾的研究重点是设计在使用期间保持强度、但在需要降解时更容易断裂的键。

含内置薄弱点的可编程塑料：这项研究不仅使塑料可降解，还使其分解具有可编程性。

关键发现是精心安排塑料化学结构的部分，使它们处于恰当位置，在被触发时开始断裂。顾将这个想法比作折叠纸张，使其容易沿折痕撕开。通过在分子层面有效“预折叠”结构，塑料的分解速度可比平时快数千倍。

尽管有这种内置的脆弱性，塑料的整体化学成分保持不变，这意味着它在降解被激活前一直保持强度和实用性。

“最重要的是，我们发现这些相邻基团的确切空间排列极大地改变了聚合物的降解速度，”顾说，“通过控制它们的方向和位置，我们能设计出在几天、几个月甚至几年内分解的同一种塑料。”

使塑料寿命与实际用途匹配：这种控制水平使塑料的使用寿命能与其用途相匹配。食品包装可能只需持续一天，而汽车部件必须耐用多年。研究人员表明，降解可以从一开始就内置，或稍后用紫外线或金属离子激活。

潜在应用远不止减少塑料污染。顾说，同样的化学原理可用于定时药物释放胶囊或在设定时间后自行消失的涂层。

“这项研究不仅为更环保的塑料打开了大门，还拓宽了在许多领域设计智能、响应性聚合物材料的工具箱。”

安全性测试与未来展望：对顾而言，长期愿景很简单：塑料应在完成使命后消失。“我们的策略提供了一种实用的、基于化学的方法来重新设计这些材料，使它们在使用期间性能良好，之后能自然分解。”

早期实验室测试表明，塑料分解时产生的液体无毒，但顾强调需要进一步测试以确认长期安全性。

回顾过去，顾说他很惊讶在一次安静的徒步中萌生的想法竟然奏效了。“这是一个简单的想法，通过复制自然界的结构来实现同样的目标，”他说，“但看到它成功了，真是难以置信。”

拓展研究：顾和他的团队正在进一步推进研究。他们正密切检查塑料分解后留下的小碎片是否对生物体或生态系统构成风险，以确保材料整个生命周期的安全性。他们还在探索如何将这种化学方法应用于传统塑料，并整合到现有制造流程中。同时，他们正在测试这种方法是否可用于制造能在精确控制时间释放药物的胶囊。

尽管仍存在技术挑战，但顾相信，持续发展以及与专注于可持续性的塑料制造商合作，可能会将这种化学技术应用于日常产品中。