Nowa technologia zamienia związki z roślin i lipidów w polimerowe kapsuły, które przechowują zapachy czy leki, a potem bez śladu znikają w środowisku.
Perfumy, kosmetyki, środki do prania czy nawozy coraz częściej korzystają z mikroskopijnych kapsułek, które stopniowo uwalniają zapach, substancję czynną albo barwnik. Problem jednak w tym, iż większość z nich jest zbudowana z tworzyw, które w środowisku praktycznie się nie rozkładają i dokładają swoją cegiełkę do mikroplastikowego bałaganu w oceanach. Zespół z Osaka Metropolitan University proponuje polimerowe kapsuły powstające z cząsteczek pochodzenia naturalnego, które po wykonaniu zadania można dosłownie wyłączyć światłem albo pozwolić im spokojnie rozpaść się w wodzie.
Z roślin i lipidów, nie z ropy
Nowa technologia opiera się na cząsteczkach, które chemicy nazywają monomerami. Są to małe klocki, z których buduje się dłuższe łańcuchy polimerów. W tym przypadku monomery są specjalnie zaprojektowane tak, aby spełnić trzy warunki naraz:
- pochodzić z naturalnych źródeł;
- dać się łączyć pod wpływem światła;
- dać się później z powrotem rozłożyć do nieszkodliwych składników.
Badacze korzystają m.in. z kwasu cynamonowego (obecnego w niektórych roślinach, znanego choćby z przypraw), z glicerolu związanego z lipidami oraz z pochodnych pięciowęglowych alkoholi powstających z glukozy w procesach biotechnologicznych. Te naturalne fragmenty łączy się w większe, fotoreaktywne monomery – gotowe do tego, by pod odpowiednim światłem przeskoczyć na kolejny poziom organizacji.
To ważne nie tylko z perspektywy ekologii, ale i obiegu surowców. jeżeli surowcem wyjściowym są związki produkowane przez rośliny, bakterie czy organizm ludzki, to w momencie rozkładu kapsuł wracamy do substancji, które środowisko już zna i potrafi sobie z nimi poradzić.
Światło jako włącznik
Największym trikiem tej technologii jest sposób, w jaki z monomerów powstają kapsuły. Zamiast klasycznej polimeryzacji z udziałem inicjatorów i katalizatorów chemicznych, badacze wykorzystują tzw. interfacjalną fotocyklododawkę. Brzmi skomplikowanie, ale idea jest zaskakująco prosta.
Monomery z grupami cynamonianowymi umieszcza się w postaci mikrocząstek w wodzie, z dodatkiem substancji stabilizujących zawiesinę. Granica między taką cząstką a otaczającą ją wodą – interfejs – staje się sceną reakcji. Po oświetleniu odpowiednią długością fali (w eksperymentach stosowano diody LED emitujące krótkofalowe UV) fragmenty cząsteczek zaczynają ze sobą reagować, tworząc mostki i sieć polimerową.
Reakcja zachodzi głównie na powierzchni cząstek, przez co w naturalny sposób tworzy się cienka, gęsto usieciowana skorupka. Środek pozostaje słabiej związany i może zostać wypłukany w trakcie późniejszego mycia, zostawiając po sobie niezagospodarowaną przestrzeń – klasyczną, pustą w środku kapsułę polimerową.
Co istotne, cały proces zachodzi w wodzie i nie wymaga żadnych dodatkowych katalizatorów czy inicjatorów, które potem trzeba byłoby usuwać. W ten sposób powstają mikroskopijne, puste w środku kulki o rozmiarze kilku mikrometrów, z gładką, dobrze zdefiniowaną skorupą grubości około jednej dziesiątej mikrometra.
Stabilne przez rok, ale od razu gotowe na rozpad
Nowe kapsuły mają cechy, które z punktu widzenia przemysłu są naprawdę bardzo ważne. Po pierwsze – są stabilne podczas magazynowania. W warunkach przechowywania zachowują strukturę przez co najmniej rok, co oznacza, iż można je spokojnie zapakować w kosmetyk, detergent albo preparat rolniczy i nie martwić się, iż rozpadną się na półce sklepowej.
Świetnie nadają się także do przenoszenia małych cząsteczek: barwników fluorescencyjnych czy substancji zapachowych. Badacze pokazali, iż można je zamknąć wewnątrz kapsuł, a skorupka pozostaje szczelna, dopóki nie zadziałamy na nią w kontrolowany sposób.
I tu pojawia się największa przewaga nad tradycyjnymi kapsułami z tworzyw petrochemicznych. Nowe materiały są już z samej definicji rozkładalne. Projekt kapsuły zawiera w sobie słabe miejsca – wiązania estrowe, które przy odpowiednich warunkach można łatwo rozerwać.
Rozpad może przebiegać dwoma drogami. Pierwsza to fotodegradacja – naświetlenie krótszą długością fali światła, które wywołuje reakcję odwracającą część procesów zachodzących przy łączeniu. Druga to klasyczna hydroliza, czyli rozcinanie wiązań estrowych przez wodę, zwłaszcza w warunkach sprzyjających takim reakcjom (odpowiednie pH, obecność enzymów itp.).
Co więcej, dobierając konkretne podstawniki w monomerach, można regulować, jaką długością fali światła budujemy kapsuły, a jaką je rozbrajamy. To otwiera drogę do materiałów, które będzie można selektywnie rozkładać, np. przy użyciu określonego typu lamp w procesie recyklingu albo dezaktywacji produktu.
Skala przemysłowa bez utraty bezpieczeństwa procesu
Wiele pomysłów na ekologiczne materiały dosłownie tonie w laboratorium, bo po prostu nie da się ich sensownie skalować. W tym przypadku zespół z Osaki zadbał również o ten element. Pokazano, iż syntezę kapsuł można powiększyć choćby stukrotnie względem klasycznych ustawień laboratoryjnych, korzystając z mocniejszych lamp LED zamiast delikatnych źródeł światła.
Co istotne, proces przez cały czas odbywa się w wodzie, bez agresywnych rozpuszczalników i dodatkowych katalizatorów. To z punktu widzenia przemysłu kosmetycznego czy farmaceutycznego duży atut: prostsze linie technologiczne, mniej odpadów, łatwiejsza kontrola bezpieczeństwa.
Krok w stronę znikających plastiku i chemii
Nowe kapsuły polimerowe nie rozwiążą oczywiście problemu mikroplastiku same z siebie, ale pokazują, iż można projektować materiały w inny sposób: od razu z myślą o ich końcu życia. Zamiast wiecznych tworzyw dostajemy struktury, które są stabilne wtedy, kiedy tego potrzebujemy, i podatne na rozkład wtedy, kiedy stają się odpadem.
Dla firm kosmetycznych, chemicznych czy rolniczych to szansa na utrzymanie efektów, do których przyzwyczaili konsumentów, przy jednoczesnym ograniczeniu wpływu na środowisko. Dla naukowców jest to z kolei pierwszy dowód, iż fotochemia i monomery z natury mogą wspólnie zbudować coś więcej niż kolejną eksperymentalną ciekawostkę.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
