Yuwei Gu estava caminhando pelo Bear Mountain State Park, em Nova York, quando uma visão inesperada chamou sua atenção. Garrafas plásticas estavam espalhadas ao longo da trilha, e mais delas escorriam por um lago próximo. Ver resíduos de plástico em um ambiente tão natural parou o químico da Rutgers e fez sua mente disparar.
Gu começou a pensar em polímeros, as moléculas de cadeia longa que constituem tanto os materiais naturais quanto os plásticos modernos. DNA e RNA são polímeros e proteínas e celulose. A diferença é que os polímeros naturais eventualmente se decompõem, enquanto os plásticos sintéticos permanecem frequentemente no ambiente durante décadas ou mais.
“A biologia usa polímeros em todos os lugares, como proteínas, DNA, RNA e celulose, mas a natureza nunca enfrenta o tipo de problemas de armazenamento de longo prazo que os plásticos sintéticos têm”, disse Gu, professor assistente do Departamento de Química e Biologia Química da Rutgers School of Arts and Sciences.
Parado ali na floresta, o motivo de repente ficou claro para ele.
“A diferença tem que estar na química”, disse ele.
Copiando a estratégia de saída integrada da natureza
Gu percebeu que se os polímeros naturais pudessem desempenhar a sua função e depois desaparecer, os plásticos produzidos pelo homem poderiam ser capazes de fazer o mesmo. Ele já sabia que os polímeros biológicos têm pequenas propriedades químicas incorporadas que ajudam a quebrar as suas ligações no momento certo.
“Eu pensei, e se copiarmos essa técnica estrutural?” “Podemos tratar os plásticos produzidos pelo homem da mesma maneira?” ele diz.
Essa pergunta levou a um avanço. Em um estudo publicado pelo Dr. A natureza é químicaGu e seus colegas da Rutgers demonstraram que o uso desse método inspirado na natureza permite que os plásticos se decomponham nas condições cotidianas, sem a necessidade de altas temperaturas ou produtos químicos agressivos.
“Queríamos enfrentar um dos maiores desafios dos plásticos modernos”, disse Gu. “Nosso objetivo era encontrar uma nova técnica química que permitisse que os plásticos se degradassem naturalmente nas condições cotidianas, sem a necessidade de tratamento especial”.
Como funcionam os polímeros e as ligações químicas?
Os polímeros são compostos de muitas unidades repetidas ligadas entre si, como contas em um cordão. Plásticos como DNA, RNA e proteínas também se enquadram nesta categoria. O DNA e o RNA são compostos de cadeias de pequenas unidades chamadas nucleotídeos, enquanto as proteínas são feitas de aminoácidos.
O que mantém essas unidades unidas são as ligações químicas, que agem como cola no nível molecular. Nos polímeros, essas ligações conectam um bloco de construção a outro. Ligações fortes conferem durabilidade aos plásticos, mas também os tornam mais difíceis de quebrar depois de descartados. A pesquisa de Gu se concentra no projeto de ligações que sejam fortes durante o uso, mas fáceis de quebrar quando degradadas.
Plástico programável com pontos fracos integrados
Esta pesquisa faz mais do que tornar os plásticos biodegradáveis. Isso torna seu detalhamento programável.
A invenção principal envolve organizar cuidadosamente partes da estrutura química do plástico para que fiquem na posição correta para começar a se desintegrar quando acionadas. Gu compara o conceito a dobrar um pedaço de papel para que ele rasgue facilmente ao longo de uma dobra. Ao “pré-dobrar” efetivamente a estrutura em nível molecular, o plástico pode quebrar milhares de vezes mais rápido que o normal.
Apesar desta fraqueza inerente, a composição química global dos plásticos permanece inalterada. Isto significa que permanece poderoso e útil até que a degradação seja ativada.
“Mais importante ainda, descobrimos que o arranjo espacial exato desses grupos vizinhos muda drasticamente a rapidez com que o polímero se degrada”, disse Gu. “Ao controlar a sua orientação e localização, podemos projetar o mesmo plástico para se decompor ao longo de dias, meses ou até anos.”
Combinando a vida útil dos plásticos com o uso no mundo real
Este nível de controle permite que os plásticos sejam projetados com uma vida útil adequada à sua finalidade. As embalagens de alimentos podem durar apenas um dia, enquanto os componentes automotivos devem ser guardados por muitos anos. Os pesquisadores demonstraram que a degradação pode ser ativada desde o início ou mais tarde, usando luz UV ou íons metálicos.
As aplicações potenciais vão além da redução da poluição plástica. Gu disse que a mesma química poderia criar cápsulas de administração programada de medicamentos, ou revestimentos, que poderiam ser removidos automaticamente após um determinado período de tempo.
“Esta pesquisa não apenas abre as portas para plásticos ambientalmente responsáveis, mas também expande a caixa de ferramentas para projetar materiais inteligentes e responsivos à base de polímeros em muitas áreas”, disse ele.
Verificações de segurança e o caminho a seguir
Para Gu, a visão de longo prazo é simples. O plástico fará o seu trabalho e depois desaparecerá.
“Nossa técnica fornece uma maneira prática e baseada na química de redesenhar esses materiais para que eles ainda tenham um bom desempenho durante o uso, mas se degradem naturalmente depois”, disse ele.
Testes laboratoriais preliminares indicam que o líquido produzido quando o plástico se decompõe não é tóxico, embora Gu tenha sublinhado que são necessários mais testes para garantir a segurança a longo prazo.
Olhando para trás, Gu disse que ficou surpreso ao ver que uma ideia que surgiu durante uma caminhada tranquila realmente funcionou.
“Foi um pensamento simples, copiar a estrutura da natureza para atingir o mesmo objetivo”, disse ele. “Mas foi incrível ter sucesso.”
Extensão de pesquisa
Gu e sua equipe estão agora levando a pesquisa ainda mais longe. Eles estão examinando de perto se os pequenos fragmentos deixados após a decomposição do plástico representam algum risco para os organismos vivos ou ecossistemas, garantindo a segurança durante todo o ciclo de vida do material.
Eles também estão explorando como seus métodos químicos podem ser aplicados a plásticos convencionais e integrados aos processos de fabricação existentes. Ao mesmo tempo, estão testando se o método pode ser usado para criar cápsulas que liberam medicamentos em horários cuidadosamente controlados.
Embora os desafios técnicos permaneçam, Gu acredita que o desenvolvimento contínuo em colaboração com fabricantes de plásticos focados na sustentabilidade pode trazer esta química para os produtos de uso diário.
Outros cientistas da Rutgers que contribuíram para a pesquisa incluem: Shaozhen Yin, um estudante de doutorado no laboratório de Gu que é o primeiro autor do artigo; Lu Wang, professor associado do Departamento de Química e Biologia Química; Rui Zhang, estudante de doutorado no laboratório de Wang; N. Sanjeev Murthy, professor associado pesquisador do Laboratório de Pesquisa de Biomateriais; e Ruihao Zhou, um ex-aluno visitante de pós-graduação.
