Za posledních 100 let plasty a polymery změnily způsob fungování světa, od letadel a automobilů po počítače a mobilní telefony-téměř všechny jsou složeny ze sloučenin na bázi fosilních paliv. Objev výzkumného týmu Floridské státní univerzity v oblasti nového plastu získaného z borové šťávy má potenciál být měničem nových udržitelných materiálů.
Docent chemie a biochemie Justin Kennemur, hlavní řešitel studie podrobně popisující nový objev, řekl, že to byl významný krok správným směrem pro nové plasty a je to objev brány, který by mohl vést k několika novým materiálům.
„V současné době víme, že tento skelný, tepelně stabilní plast lze tavit a tvarovat při vyšší teplotě a při okolních teplotách se ochladí na tvrdý plast,“ řekl Kennemur. „Jedním z příštích cílů je naučit se některé mechanické vlastnosti těchto polymerů. Tento materiál má však mnoho strukturálních vlastností, které odrážejí plasty, které používáme každý den, takže existuje příslib pro mnoho aplikací.“
„Devadesát devět procent plastů je dnes vyráběno z konečných fosilních paliv se zvyšující se poptávkou a omezenou geografickou dostupností,“ řekl. „Výroba materiálů z obnovitelných zdrojů , a zejména borové šťávy, kterou lze sklízet bez usmrcení stromu, je pozoruhodné úsilí.“
Alfa-pinen, nejhojnější molekula vyráběná z borové šťávy, je notoricky obtížné přeměnit na plasty, takže má v současné době omezené použití. Primárně se nachází v čisticích prostředcích a rozpouštědlech na bázi terpentýnu. Mark Yarolimek, doktorand FSU v polymerní chemii, který studii vedl, nejprve synteticky upravil alfa-pinen, aby byla sloučenina známá jako delta-pinen. Zjištění byla zveřejněna v časopise ACS Macro Letters .
„Alfa-pinen jsem podrobil řadě chemických reakcí, mnohonásobnému čištění a několika pokusům a omylům, které se nakonec osvědčily při jeho převodu na delta-pinen,“ řekl. „Jakmile jsme získali vyčištěný kapalný delta-pinen, přeměnil jsem ho na výsledný plast, poly-delta-pinen, pomocí jedné konečné chemické reakce.“
Yarolimek a Heather Bookbinder, kteří pracovali jako vysokoškoláci na projektu před absolvováním bakalářského studia fyziologie cvičení v roce 2020, poté provedli řadu „polymerizací“ – chemických reakcí k transformaci malých kapalných molekul na pevné makromolekuly – aby otestovali, jak efektivní je toto z molekuly se stal plast.
Tyto testy zahrnovaly měření, kolik delta-pinenu bylo přeměněno na plast v jedné reakci, jak dobře vědci mohli kontrolovat růst molekul a jak variabilita podmínek ovlivnila materiály. Charakterizovali také různé materiálové vlastnosti plastu, například teplotu, při které polymer taje a kolik tepla vydrží, než se rozloží, a také zkoumali molekulární strukturu materiálů.
Brianna Coia, absolventka výzkumu ve skupině Kennemur Group, současně analyzovala delta-pinen, aby zjistila, zda má správné termodynamické vlastnosti pro polymeraci. Díky zdrojům z Výzkumného výpočetního střediska FSU provedla Coia výpočty hustotní funkční teorie a její výpočetní výsledky se dobře vyrovnaly experimentálním zjištěním Yarolimka a Bookbindera.
Yarolimek řekl, že přeměna takových molekul biomasy na nové vysoce výkonné plasty, jako je tento, je zásadní pro pokračování našeho způsobu života. Tým již spolupracoval s FSU Office of Commercialization na podání patentu na materiál, který objevili.
„Namísto návratu do 18. století, kdy dojde ropa, nám přechod na plasty na biologické bázi umožní posunout se dále vpřed do toho, co přijde dál,“ řekl.
Výroba nových plastů na biologické bázi je jen polovinou konverzace – druhá zahrnuje konečný osud plastu, řekl Kennemur. U tohoto vysoce výkonného materiálu by byla krátká doba trvanlivosti biologicky rozložitelná nežádoucí, ale stále potřebuje způsob, jak být recyklován. To může znamenat vývoj rozkladných procesů pomocí chemického stimulu.
„Náš výzkum je investován do obou. Vyrábíme nové materiály, ale také zkoumáme jejich chemickou recyklovatelnost,“ řekl. „Vyrobili jsme tento nový plast, ale to je jen začátek. Musíme se také naučit, jak plast odemknout, a máme v plánu to začít vyšetřovat.“
Kennemur řekl, že jeho studenti výzkumníci si do značné míry zaslouží uznání za objev, zatímco jeho úkolem bylo řídit jejich úsilí.
„Být součástí tohoto výzkumného týmu byla pravděpodobně jedna z nejvzdělanějších a nejzajímavějších zkušeností, které jsem během svého působení na FSU zažil,“ řekl Bookbinder. „Dle mého názoru je praktická zkušenost nejpřitažlivějším způsobem učení a má dlouhodobý účinek. O výzkumu a své roli v této zkušenosti budu mluvit po zbytek svého života.“
Tom Morgan, Florida State University
https://phys.org/news/2021-07-sapbased-plastic-potential-gamechanger-future.html
Další informace: Mark R. Yarolimek et al, Ring-Opening Metathesis Polymerization of δ-Pinene: Well-Define Polyolefins from Pine Sap, ACS Macro Letters (2021). DOI: 10,1021/acsmacrolett.1c00284
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.1c00284