De kans is groot dat je vandaag iets hebt aangeraakt dat gemaakt is van het polyolefinepolymeer. Het wordt vaak gebruikt in polyethyleenproducten zoals plastic zakken of polypropyleenproducten zoals luiers.

Hoe nuttig polyolefinen ook zijn in de samenleving, ze blijven zich vermenigvuldigen als afval in het milieu. Wetenschappers schatten plastic zakken, bijvoorbeeld, zal eeuwen duren om te degraderen.

Maar nu, onderzoekers van Virginia Tech hebben een biologisch afbreekbaar alternatief voor polyolefinen gesynthetiseerd met behulp van een nieuwe katalysator en het polyesterpolymeer, en deze doorbraak zou uiteindelijk een grote impact kunnen hebben op duurzaamheidsinspanningen.

Rong Tong, universitair docent bij de afdeling Chemical Engineering en verbonden faculteitslid van Macromolecules Innovation Institute (MII), leidde het team van onderzoekers, wiens bevindingen onlangs in het tijdschrift zijn gepubliceerd Natuurcommunicatie .

Een van de grootste uitdagingen in de polymeerchemie is het beheersen van de tacticiteit of de stereochemie van het polymeer. Bij het vermenigvuldigen van monomeersubeenheden in de macromoleculaire keten, het is moeilijk voor wetenschappers om een ​​consistente rangschikking van functionele zijketengroepen te repliceren die afkomstig zijn van de belangrijkste polymeerketen. Deze functionele zijketengroepen hebben een grote invloed op de fysische en chemische eigenschappen van een polymeer, zoals smelttemperatuur of glasovergangstemperatuur, en regelmatige stereochemie leidt tot betere eigenschappen.

Tong zei dat zijn groep nu een manier heeft gevonden om reguliere stereochemie met polyesters te creëren.

"Er is geen methode beschikbaar om dit soort chemie te doen, Tong zei. "Mensen hebben eerder soortgelijk werk gedaan met polylactide, maar we hebben fundamenteel aangetoond dat als we de stereochemie beheersen, de polyesters zullen verbeterde fysische en chemische eigenschappen hebben."

Tong en zijn postdoc, Quanyou Feng, combineerde een nieuwe photoredox Ni / Ir-katalysator - een verrassend eenvoudig chemisch proces dat een huishoudelijke gloeilamp gebruikt om de reactie te starten - met een stereoselectieve Zn-katalysator om de ringopeningspolymerisatie van het O-carboxyanhydride-monomeer te initiëren om deze verbeterde polyesters te creëren. De monomeren kunnen gemakkelijk binnen enkele uren worden gepolymeriseerd met sporenhoeveelheden katalysatoren. Het resulterende materiaal heeft een hoog molecuulgewicht, thermische stabiliteit en kristalliniteit, en kan degraderen in een basische wateroplossing.

"Als je een gewone katalysator gebruikt, het heeft geen stereochemische controle, maar we ontdekten dat onze katalysator dat kan, " zei Tong. "In onze krant, we laten zien hoe dergelijke stereoselectieve katalysatoren kunnen worden ontworpen en hoe ze helpen bij de controle van stereochemie."

O-carboxyanhydriden zijn gemaakt van aminozuren, die natuurlijke organische verbindingen zijn, dus deze polyesters zouden degraderen, in tegenstelling tot de huidige niet-afbreekbare polyolefinen. In aanvulling, O-carboxyanhydriden kunnen verschillende functionele groepen naar de polyester brengen en de toepassing van het polymeer diversifiëren. Momenteel, de FDA heeft slechts enkele polyesters goedgekeurd voor biomedische toepassing.

Na het afronden van de synthese, Tong werkte toen met Guoliang "Greg" Liu, een assistent-professor bij de afdeling Scheikunde en een collega-aangesloten faculteitslid bij MII, om aan te tonen dat de nieuwe polymeren verbeterde eigenschappen hadden.

"Dr. Tong's lab heeft uitstekende katalysatorontwerp- en polymerisatietechnieken, en we hebben uitstekende vaardigheden op het gebied van karakterisering en verwerking, dus het is natuurlijk voor ons om samen te werken, " zei Liu. "Het controleren en bewijzen van tacticiteit is geen triviaal proces. Met behulp van differentiële scanningcalorimetrie en nucleaire magnetische resonantie, we leveren sterk bewijs voor de structuur en eigenschappen waar we voor gaan."

Het ontwikkelen van deze polyesters tot toepassingen ligt nog steeds in het verschiet, maar Liu zei voor nu dat dit een belangrijke vooruitgang is voor materiaalonderzoek.

"Deze polyestersynthese die de tacticiteit regelt, kan een nieuwe bibliotheek van polymeermaterialen opleveren die we nog niet eerder hadden, ' zei Liu.

Dit stukje innovatieve chemie heeft Tong en Liu enthousiast gemaakt voor een toekomst waarin afbreekbare en groene kunststoffen kunnen worden geproduceerd ter vervanging van de aardoliekunststoffen van vandaag die decennia of eeuwen op stortplaatsen en oceanen blijven bestaan.

Tong zei dat deze nieuwe technologie voor polymeersynthese alleen op academische laboratoriumschaal is aangetoond. Er is nog veel werk aan de winkel om deze functionele materialen te karakteriseren en het synthese-opschalingsproces, waarvoor patent is aangevraagd, te perfectioneren.

"Het zou onze droom zijn om deze afbreekbare polyesters op de markt te zien verschijnen, voor zowel de kunststofindustrie als de biomedische toepassing, ' zei Tong.

Tong's team omvat ook Yongliang Zhong, een chemische technologie Ph.D. student; Dong Guo, een scheikundestudent die in het lab van Liu werkt; en de medewerker Linghai Xie, een professor aan de Nanjing University of Posts and Telecommunications in China, die hielpen bij de berekeningsstudies om het katalysator-stereoselectiviteitsmechanisme op te helderen.