Nhóm nghiên cứu từ Đại học Rutgers (bang New Jersey) – một trong những trường công lâu đời và danh tiếng nhất nước Mỹ – công bố chế tạo thành công nhựa tự hủy với tốc độ được lập trình. Nghiên cứu này được Yuwei Gu, Phó giáo sư tại Khoa Sinh hóa, cùng cộng sự công bố trên tạp chí khoa học Nature cuối tuần trước.
Gu nói họ học hỏi cấu trúc từ tự nhiên, hướng tới mục tiêu cuối cùng là nhựa phải biến mất sau khi hết vòng đời sử dụng.
Cơ chế “hẹn giờ” được thiết lập dựa trên vị trí tích hợp hóa chất hỗ trợ phá vỡ liên kết nhựa. Một mặt, họ tái cấu trúc nhựa giúp phơi bày nhóm liên kết yếu. Mặt khác, hóa chất phụ trợ được “cài” gần mối liên kết này, chờ tác nhân kích hoạt xoay nó khớp đúng vị trí để phá vỡ, tạo ra phản ứng phân hủy nhựa.
Mẫu nhựa poly (dicyclopentadiene), một vật liệu ứng dụng trong linh kiện xe hơi, được tái cấu trúc để tự phân hủy trong vòng vài ngày ở điều kiện phòng. Ảnh: Gu Lab
“Chúng tôi phát hiện việc thay đổi vị trí hóa chất tác động đáng kể tới tốc độ phân hủy”, Gu nói. Tức là, bằng việc kiểm soát vị trí cài hóa chất, nhóm nhà hóa học có thể tạo ra một loại nhựa có tốc độ phân hủy khác nhau, theo ngày, tháng, hoặc nhiều năm. Vị trí cài hóa chất càng gần liên kết yếu, sản phẩm càng nhanh phân hủy.
Khả năng tinh chỉnh này cho phép sản phẩm nhựa có tuổi thọ phù hợp với mục đích sử dụng. Ví dụ, túi nilon chỉ cần tồn tại một ngày trước khi phân hủy, trong khi các linh kiện ôtô phải có độ bền trong nhiều năm. Nhóm nghiên cứu chứng minh có thể tích hợp sẵn khả năng phân hủy cho vật liệu bằng phụ gia, hoặc chủ động kích hoạt tính năng này qua tia cực tím và ion kim loại để tăng khả năng kiểm soát.
Quá trình tái cấu trúc nhựa, Gu giải thích giống như gấp một tờ giấy, việc rạch giấy sẽ dễ và nhanh hơn. Việc “gấp trước” cấu trúc khi chế tạo nhựa khiến vật liệu này phân hủy nhanh hơn hàng nghìn lần nếu được kích hoạt. Nhưng ở điều kiện bình thường, nó vẫn bền và hữu ích, bởi giữ nguyên thành phần hóa học.
Các xét nghiệm ban đầu trong phòng thí nghiệm cho thấy chất lỏng tạo ra từ quá trình phân hủy không độc hại. Nhóm nhà khoa học nói cần nghiên cứu thêm để đảm bảo chúng không ảnh hưởng tới hệ sinh thái, giúp vật liệu an toàn trong suốt vòng đời.
Nhà hóa học Yuwei Gu (trái) và nghiên cứu sinh Shaozheng Yin (phải) sử dụng máy đo kích thước polymer và cách chúng phân hủy. Ảnh: Gu Lab
Gu nảy ra sáng kiến trên khi đi bộ qua Công viên Bear Mountain (New York), chứng kiến chai nhựa vương vãi trên đường và mặt hồ ở mức độ “kinh hoàng”. Cùng hình thành từ các chuỗi polymer, nhưng nhựa tồn tại hàng thế kỷ, còn protein, DNA trong tự nhiên không gặp tình trạng tích tụ rác thải.
Polymer là một chuỗi liên kết dài cấu thành từ nhiều thành tố cơ bản lặp lại, giống như hạt cườm trên một sợi dây. Trong tự nhiên, thành tố cơ bản trong polymer của DNA và RNA là hợp chất hữu cơ nucleotide, ở protein là các axit amin. Trong quá trình phân hủy, bên cạnh sự hỗ trợ từ vi khuẩn, bản thân các chuỗi polymer tự nhiên tích hợp sẵn các nhóm hỗ trợ nhỏ, bẻ vỡ liên kết hóa học vào thời điểm thích hợp.
Nghiên cứu của Gu và cộng sự bổ sung loại nhựa thân thiện môi trường, và mở ra bộ công cụ để thiết kế vật liệu gốc polymer thông minh, đáp ứng nhu cầu phân hủy trong nhiều lĩnh vực.
Đến nay, vật liệu mới này mới được tạo ra và thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm. Nhiều thử nghiệm cần được nhóm nghiên cứu tiến hành hơn nữa, nhằm đảm bảo tính an toàn trong sử dụng, trước khi đưa vật liệu mới ra thị trường.
Nhóm nghiên cứu cũng đang xem xét cách thức tích hợp quy trình của họ với nhựa thông thường và các phương pháp sản xuất hiện tại. Đồng thời, dựa trên nghiên cứu với nhựa, họ sản xuất thử nghiệm viên nang giải phóng thuốc theo thời gian lập trình.
