At skabe en ny, bæredygtig plastik ved hjælp af fysik

De seneste tre år har ph.d. kandidat Sophie van Lange har været dedikeret til ét klart mål:at producere plast, der er både hårdt og bæredygtigt. Den plast, vi bruger i dag, er enten genanvendelig eller stærk og hård – ikke begge dele. Van Lange gik væk fra traditionelle kemiske tilgange til fremstilling af plastik og udviklede en helt ny metode til at skabe holdbar og genanvendelig plast på en helt ny måde. Tricket? Fysiske kræfter.

Processen begynder med en tilsyneladende enkel opsætning:et gult pulver i et fad og et hvidt pulver i en anden. Ved at opløse og kombinere disse to opløsninger og udsætte dem for varme og tryk i en varmpresse omdanner Van Lange disse stoffer til et rektangulært stykke plastik, der måler to gange en halv centimeter inden for to uger.

Under normale forhold er det resulterende plastik robust og hårdt, men bliver reformerbart, når det opvarmes. Hun omtaler disse innovative plastmaterialer som "kompleksimere". Van Lange og hendes kolleger rapporterer om dette i Science Advances .

Bæredygtig plastforarbejdning

Plast er allestedsnærværende i vores dagligdag og fungerer som emballage til peberfrugter og agurker i supermarkedet eller som emballage til nyt legetøj. "Men plastik er også inkorporeret i skoene på mine fødder og brillerne på min næse," siger Van Lange og peger på hendes lyserøde stel. Alligevel overvejer vi sjældent, hvad der sker med disse materialer, efter at skoene går i stykker, eller når du har brug for nye briller.

"Man kan tage gamle genstande til et genbrugssted, men næppe nogen ved præcis, hvad der sker med dem bagefter," siger den unge forsker. Overvej en skosål, som også er en type plastik. Efter brug kan vi ikke gøre andet med det, undtagen at brænde eller slibe det. Anden plast, som posen omkring en peberfrugt eller laget i en mælkekarton, kan genbruges.

"Hvor ville det være fantastisk, hvis vi kunne behandle al plast bæredygtigt," siger Van Lange. Hun er drevet af sin kærlighed til bæredygtige materialer og arbejder på denne innovative plastik i stolegruppen Physical Chemistry and Soft Matter. "Jeg synes, at bæredygtige materialer er rigtig fede," siger hun.

"På molekylær skala består plast af lange kæder," forklarer Van Lange. I traditionel hård plast er disse kæder forbundet med kemiske tværbindinger for styrke. Imidlertid er disse tværbindinger så robuste, at genanvendelse bliver næsten umulig. Derfor redesignede Van Lange disse plastik uden kemiske tværbindinger, denne gang ved at bruge justerbare fysiske kræfter.

Trækningskraft

"Halvdelen af ​​kæderne, der udgør vores plastik, er positivt ladede," forklarer Van Lange.

"Den anden halvdel er negativt ladet." Når du bringer dem i kontakt med hinanden korrekt, tiltrækker de hinanden, ligesom to magneter. Dette holder kæderne sammen uden behov for kemiske tværbindinger. Ved opvarmning svækkes tiltrækningen mellem delene, hvilket tillader hele materialet at omforme. "Dette gør det muligt at genbruge plastikken eller for eksempel reparere et hul eller andre skader i plastikken med varme," siger Van Lange.

Indtil videre har ph.d. kandidat har produceret cirka tre gram af den nye plast. "Der gik lidt tid, før mine kolleger og jeg faktisk havde den ønskede plastik," siger hun. Det hele kogte ned til tiltrækning:I naturen tiltrækker positive og negative partikler hinanden stærkt. Dette gør materialer sprøde og næsten umulige at deformere, når de opvarmes. "Innovationen ligger i at svække den ladning tilstrækkeligt," siger Van Lange.

Det opnåede hun med en slags "molekylær paraply", der delvist afskærmer de positive og negative ladninger i plastikken. "Sådan opnåede vi den perfekte tiltrækningskraft og dermed plastik, der let kan deformeres ved opvarmning," siger ph.d. kandidat. Desuden er disse paraplyer vandafvisende, hvilket sikrer, at plastikken forbliver robust, når den udsættes for vand. En skosål lavet af det nye plastik forbliver robust, når man træder ned i en vandpyt. "Opladet materiale er næsten altid følsomt over for vand, så det er meget specielt at opnå dette," tilføjer Van Lange.

Større fleksibilitet

Den nye plastik er endnu ikke helt klar endnu. For eksempel er materialet endnu ikke fleksibelt nok, ifølge Van Lange siger:"Vi demonstrerer, at konceptet virker, men nu skal vi finde en måde at give det mere gummilignende egenskaber." Forskeren håber at opnå dette ved at reducere ladningen i kompleksimerer, måske ved at justere byggestenene i de kæder, der udgør plastikken.

"Et alternativ kunne være at forstørre de molekylære paraplyer," siger Van Lange. Hun overvejer også at ændre typen af ​​kæder. "Vi bruger i øjeblikket polystyren, et stift molekyle," forklarer ph.d. kandidat. "Hvis vi erstatter det med en mere fleksibel variant, får vi måske allerede en mere bøjelig plastik."

Selvom plastikken endnu ikke er klar til markedet, er ph.d. kandidat håber, at hendes arbejde vil inspirere andre forskere. Hendes forskning viser, at tænkning uden for boksen kan føre til helt nye materialer. "Jeg vil motivere andre videnskabsmænd til at se anderledes på materialer og bruge dem på utraditionelle måder," afslutter Van Lange.

Flere oplysninger: Sophie G. M. van Lange et al., Modereret ionbinding til vandfri genanvendelige polyelektrolytkompleksmaterialer, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3606

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Wageningen University