El plástico se resuelve: el descubrimiento revolucionario recicla el plástico de adentro hacia afuera

Ahora, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos (Berkeley Lab) ha diseñado un plástico reciclable que, como un juego de Lego, se puede desmontar en sus partes constituyentes a nivel molecular, y luego volver a ensamblar en una forma, textura y color diferentes una y otra vez sin pérdida de rendimiento o calidad. El nuevo material, llamado poli (dicetoenamina) o PDK, se publicó en la revista. Quimica de la Naturaleza.

"La mayoría de los plásticos nunca fueron hechos para ser reciclados", dijo el autor principal Peter Christensen, un investigador postdoctoral en Molecular Foundry de Berkeley Lab. "Pero hemos descubierto una nueva forma de ensamblar plásticos que tiene en cuenta el reciclaje desde una perspectiva molecular".

Christensen formó parte de un equipo multidisciplinario dirigido por Brett Helms, científico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab. Los otros coautores son los investigadores universitarios Angelique Scheuermann (entonces de UC Berkeley) y Kathryn Loeffler (entonces de la Universidad de Texas en Austin) que fueron financiados por el programa de pasantías de laboratorio de pregrado de ciencias (SULI) del DOE en el momento del estudio. El proyecto general fue financiado a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Berkeley Lab.

Todos los plásticos, desde botellas de agua hasta partes de automóviles, están formados por moléculas grandes llamadas polímeros, que se componen de unidades repetitivas de compuestos más cortos que contienen carbono llamados monómeros.

Según los investigadores, el problema con muchos plásticos es que los productos químicos agregados para hacerlos útiles, como los rellenos que hacen que un plástico sea resistente o los plastificantes que hacen que un plástico sea flexible, están estrechamente unidos a los monómeros y permanecen en el plástico. Incluso después de que ha sido procesado en una planta de reciclaje.

Durante el procesamiento en dichas plantas, los plásticos con diferentes composiciones químicas (plásticos duros, plásticos elásticos, plásticos transparentes, plásticos de color caramelo) se mezclan y se muelen en trozos. Cuando esa mezcla de plásticos cortados se funde para crear un nuevo material, es difícil predecir qué propiedades heredará de los plásticos originales.

Esta herencia de propiedades desconocidas y, por lo tanto, impredecibles ha evitado que el plástico se convierta en lo que muchos consideran el Santo Grial del reciclaje: un material "circular" cuyos monómeros originales pueden recuperarse para su reutilización durante el mayor tiempo posible, o "reciclado" para hacer una nueva. Producto de mayor calidad.

Entonces, cuando una bolsa de compras reutilizable hecha con plástico reciclado se desgasta con el desgaste, no se puede reciclar ni reciclar para hacer un nuevo producto. Y una vez que la bolsa ha llegado al final de su vida útil, se incinera para producir calor, electricidad o combustible, o termina en un relleno sanitario, dijo Helms.

"Los plásticos circulares y el reciclaje de plásticos son grandes desafíos", dijo. "Ya hemos visto el impacto de los residuos plásticos que se filtran en nuestros ecosistemas acuáticos, y es probable que esta tendencia se vea agravada por las crecientes cantidades de plásticos que se fabrican y la presión aguas abajo que ejerce sobre nuestra infraestructura de reciclaje municipal".

Reciclando plástico un monómero a la vez

Los investigadores quieren desviar los plásticos de los rellenos sanitarios y los océanos incentivando la recuperación y reutilización de los plásticos, lo que podría ser posible con polímeros formados a partir de PDK. "Con los PDK, los enlaces inmutables de los plásticos convencionales se reemplazan con enlaces reversibles que permiten que el plástico se recicle de manera más efectiva", dijo Helms.

A diferencia de los plásticos convencionales, los monómeros de plástico PDK podrían recuperarse y liberarse de cualquier aditivo compuesto simplemente sumergiendo el material en una solución altamente ácida. El ácido ayuda a romper los enlaces entre los monómeros y los separa de los aditivos químicos que dan apariencia y sensación al plástico.

"Estamos interesados ​​en la química que redirige los ciclos de vida del plástico de lineal a circular", dijo Helms. "Vemos la oportunidad de marcar la diferencia en donde no hay opciones de reciclaje". Esto incluye adhesivos, fundas para teléfonos, correas de reloj, zapatos, cables de computadora y termoestables duros que se crean al moldear material plástico caliente.

Los investigadores descubrieron la excitante propiedad circular de los plásticos basados ​​en PDK cuando Christensen estaba aplicando varios ácidos a la cristalería utilizada para hacer adhesivos PDK, y notaron que la composición del adhesivo había cambiado. Curioso por la forma en que podría haberse transformado el adhesivo, Christensen analizó la estructura molecular de la muestra con un instrumento de espectroscopia de RMN (resonancia magnética nuclear). "Para nuestra sorpresa, eran los monómeros originales", dijo Helms.

Después de probar varias formulaciones en Molecular Foundry, demostraron que no solo descomponen los ácidos de los polímeros PDK en monómeros, sino que el proceso también permite que los monómeros se separen de los aditivos entrelazados.

A continuación, demostraron que los monómeros PDK recuperados pueden transformarse en polímeros, y esos polímeros reciclados pueden formar nuevos materiales plásticos sin heredar el color u otras características del material original, por lo que la correa negra rota que arrojó a la basura podría encontrar nuevos La vida como un teclado de computadora si está hecho con plástico PDK. También podrían reciclar el plástico agregando características adicionales, como la flexibilidad.

Avanzando hacia un futuro plástico circular.

Los investigadores creen que su nuevo plástico reciclable podría ser una buena alternativa a muchos plásticos no reciclables en uso hoy en día.

"Estamos en un punto crítico en el que tenemos que pensar en la infraestructura necesaria para modernizar las instalaciones de reciclaje para la clasificación y el procesamiento de residuos en el futuro", dijo Helms. "Si estas instalaciones estuvieran diseñadas para reciclar o reciclar PDK y plásticos relacionados, entonces podríamos desviar más efectivamente el plástico de los rellenos sanitarios y los océanos. Este es un momento emocionante para comenzar a pensar cómo diseñar los materiales y las instalaciones de reciclaje para permitir Plásticos circulares ", dijo Helms.

A continuación, los investigadores planean desarrollar plásticos PDK con una amplia gama de propiedades térmicas y mecánicas para aplicaciones tan diversas como textiles, impresión 3D y espumas. Además, buscan expandir las formulaciones incorporando materiales de origen vegetal y otras fuentes sostenibles.