彻底告别塑料污染？科学家造出“可逆型”高性能塑料

图虫创意

塑料轻便耐用，不仅在日常生活中随处可见，还被广泛应用于高科技领域。像飞机零件或心脏支架这样的高性能塑料，既坚固，又耐高温，但是他们的生产依赖不可再生的石油资源，而且化学结构太稳定，导致回收难度大，通常只能焚烧或填埋处理，污染环境。让人不禁想：如果有一种塑料，生产不依赖石油，又能零污染回收就太好了。

最近，美国康奈尔大学的科学家们开发了一种神奇的新型塑料，完美符合了这些要求。这种塑料为什么不需要石油，又能零污染回收？我们真的能告别塑料污染了吗？

要理解这项新突破，我们先需要了解塑料的化学本质。

塑料的特性由它的化学结构决定。传统高性能塑料的制造过程是先让单体小分子聚合成长链，再通过化学键形成类似“钢筋骨架”般的交联网络。交联越密集，塑料的硬度和耐热性就越高。然而，传统工艺中长链的生长和交联是同步进行的，科学家难以精准控制交联密度。此外，这些交联结构一旦形成就极难拆解，就像许多根随机缠绕在一起的耳机线，既无法控制打结的数量，也很难解开。所以无法有效回收再利用，最终只能焚烧或填埋。

美国康奈尔大学的研究团队选择了一种生物基原料——2,3-二氢呋喃（简称DHF）。这种从植物纤维中提取的小分子在20世纪50年代曾被尝试用于制造环保塑料，但因为成品太软而被淘汰。2023年，科学家发现聚合后的DHF仍具有可反应的化学基团，有潜力形成网络结构。用它作为原料，可以摆脱对石油原料的依赖。

研究团队首先利用了一种能够剪开并重组分子环的诺贝尔奖成果：格拉布斯第二代催化剂（简称G2）。用它对DHF进行处理，使其首尾相连聚合成柔软的长链。接着，通过另一种催化剂，在光照条件下激活长链上的碳-碳双键，这些双键就像“分子连接点”一样，能够与更多的DHF单体分子结合，形成交联的网络结构。

通过精准控制两种催化反应的时间，可以调整长链与交联结构的密度比例，从而决定材料的软硬程度。这种新型塑料能够适应从硅胶到飞机外壳的各种应用场景，最高可耐300摄氏度，而且由于软硬结构的巧妙结合，韧性比传统高强度塑料高出6倍。

除了性能优异，这种塑料的回收方式也非常灵活。

真空降解：在40摄氏度的真空条件下，塑料的DHF长链和交联结构会同时降解。

酸降解：使用盐酸可以只溶解柔软的长链，留下高密度的交联结构，适合制造更高硬度的产品；

氧化降解：在双氧水和二价铁离子的作用下，可以只降解交联结构，使长链比例增加，从而让塑料变得更软。

而且，降解的部分会变成原料，直接用于制造新的塑料。通过调整降解方式，废弃塑料也可直接转化为新产品。例如，将旧飞机外壳降解后，保留高强度交联结构，再加入新的长链，就能制成耐冲击的汽车零件。这不仅大大降低了新品再造的成本，且回收过程几乎零污染。

不过，尽管性能卓越，这种塑料仍有局限性。首先是毒性的问题。合成过程中使用的G2催化剂存在颜色深，毒性强的问题，可能会影响在食品包装，生物医疗等领域的应用。尽管研究团队通过降解步骤去除了催化剂，但增加了额外的工序，生产成本上升，限制了规模化生产的可能性。

其次是降解的问题，当材料的交联网络密度过高时，顽固的三维网络结构会显著降低降解效率，无法实现完全降解。在这种情况下，真空降解只能回收20%的DHF，仍有80%的塑料残留。即便三种降解方式轮流来一遍，也只能回收71%，有29%的塑料残留难以处理。

此外，生产过程中，由于交联步骤需要光照激活，光的颜色，亮度对塑料的性能影响很大。因此对于比较厚的，不透光的塑料，会导致产品质量不均匀，“外硬内软”，限制了在建筑材料等领域的应用。

最后， 虽然酸降解和真空降解是回收的前提，但也会影响这种新型塑料在弱酸环境和真空环境下的寿命，在酸雨地区和外太空很容易老化。

但这些问题并非无解。研究团队正在尝试使用低毒性催化剂以及探索更高效的降解手段，以提高塑料的可用性和回收的完整性。

如果这些问题能够解决，这项技术将真正颠覆塑料的生产和回收模式，塑料的污染问题将迎来革命性的改变。这项新技术的出现，不仅为解决塑料环保回收的难点提供了新的思路，更颠覆了传统的材料设计逻辑——未来的塑料或许能像乐高积木一样，可以随时拆解重组；而当产品的寿命终结时，等待它们的不再是垃圾场，而是像按下重置键般开启新生。总有一天，塑料不再是环境问题的代名词，而是可持续循环经济的重要部分。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：高嘉祥 科普作者

审核：穆云松 中国人民大学化学与生命资源学院 副院长

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司