In de afgelopen 100 jaar, kunststoffen en polymeren hebben de manier waarop de wereld werkt veranderd, van vliegtuigen en auto's tot computers en mobiele telefoons - die bijna allemaal zijn samengesteld uit op fossiele brandstoffen gebaseerde verbindingen. De ontdekking van een nieuw plastic afkomstig van dennensap door een onderzoeksteam van de Florida State University heeft het potentieel om een ​​gamechanger te zijn voor nieuwe duurzame materialen.

Universitair hoofddocent chemie en biochemie Justin Kennemur, de hoofdonderzoeker van het onderzoek naar de nieuwe ontdekking, zei dat dit een belangrijke stap in de goede richting was voor nieuwe kunststoffen en een gateway-ontdekking is die zou kunnen leiden tot verschillende nieuwe materialen.

"Wat we momenteel weten is deze glazige, thermisch stabiele kunststof kan bij hogere temperatuur worden gesmolten en gevormd en koelt bij omgevingstemperatuur af tot een harde kunststof, " zei Kennemur. "Een van de volgende doelen is om enkele van de mechanische eigenschappen van deze polymeren te leren. Echter, dit materiaal heeft veel structurele kenmerken die een afspiegeling zijn van de kunststoffen die we elke dag gebruiken, dus er is belofte voor een veelheid aan toepassingen."

De bevindingen van het team werden gepubliceerd in het tijdschrift ACS-macrobrieven .

"Negenennegentig procent van het plastic van vandaag wordt geproduceerd uit eindige fossiele brandstoffen met een toenemende vraag en beperkte geografische beschikbaarheid, " zei hij. "Materialen produceren uit hernieuwbare bronnen, en in het bijzonder dennensap, die kunnen worden geoogst zonder de boom te doden, is een opmerkelijke inspanning."

Alfa-pineen, het meest voorkomende molecuul geproduceerd uit dennensap, is notoir moeilijk om te zetten in plastic, dus het heeft momenteel beperkte toepassingen. Het wordt voornamelijk aangetroffen in reinigingsmiddelen en oplosmiddelen op terpentijnbasis. Mark Yarolimek, een FSU-promovendus in polymeerchemie die de studie leidde, eerst synthetisch het alfa-pineen gemodificeerd om de verbinding bekend te maken als delta-pineen.

"Ik liet alfa-pineen een reeks chemische reacties ondergaan, meerdere zuiveringen, en wat vallen en opstaan, die uiteindelijk succesvol bleek in het omzetten in delta-pineen, " zei hij. "Toen we eenmaal gezuiverd vloeibaar delta-pineen hadden, Ik heb dat omgezet in het resulterende plastic, poly-delta-pineen, door een laatste chemische reactie."

Yarolimek en Heather Boekbinder, die als niet-gegradueerde onderzoeker aan het project werkte voordat hij in 2020 afstudeerde met een bachelor in inspanningsfysiologie, voerde vervolgens een reeks 'polymerisaties' uit - chemische reacties om kleine vloeibare moleculen om te zetten in vaste macromoleculen - om te testen hoe effectief dit molecuul was om een ​​plastic te worden.

Deze tests omvatten het meten hoeveel delta-pineen in één enkele reactie in plastic werd omgezet, hoe goed de onderzoekers de molecuulgroei konden beheersen, en hoe de variabiliteit van de omstandigheden de materialen beïnvloedde. Ze kenmerkten ook de verschillende materiaaleigenschappen van de kunststof, zoals bij welke temperatuur het polymeer smelt en hoeveel hitte het kan weerstaan ​​voordat het ontleedt, evenals het verkennen van de moleculaire structuur van de materialen.

Brianna Coia, een afgestudeerde onderzoeker in de Kennemur Group, analyseerde tegelijkertijd het delta-pineen om te begrijpen of het de juiste thermodynamische eigenschappen bezat om polymerisatie te ondergaan. Met middelen van het FSU Research Computing Center, Coia voerde dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit, en haar computationele resultaten kwamen goed overeen met de experimentele bevindingen van Yarolimek en Bookbinder.

Yarolimek zei dat het omzetten van dergelijke biomassamoleculen in nieuwe hoogwaardige kunststoffen, zoals deze, is essentieel om onze manier van leven voort te zetten. Het team heeft al samengewerkt met het FSU Office of Commercialization om een ​​patent aan te vragen voor het materiaal dat ze ontdekten.

"In plaats van terug te gaan naar de 18e eeuw, wanneer de aardolie opraakt, de overstap naar biobased plastics zal ons in staat stellen om verder te gaan in wat komen gaat, " hij zei.

Het maken van nieuwe biobased plastics is slechts de helft van het gesprek - de andere gaat over het uiteindelijke lot van het plastic, zei Kennemur. Voor dit hoogwaardige materiaal een korte houdbaarheid van biologisch afbreekbaar zou ongewenst zijn, maar het heeft nog steeds een manier nodig om te worden gerecycled. Dat kan betekenen dat er ontledingsprocessen worden ontwikkeld via een chemische stimulus.

"Ons onderzoek wordt in beide geïnvesteerd. We maken nieuwe materialen, maar we onderzoeken ook hun chemische recycleerbaarheid, " zei hij. "We hebben dit nieuwe plastic gemaakt, maar dit is nog maar het begin. We moeten ook leren hoe we het plastic kunnen losmaken en we hebben plannen om dat te gaan onderzoeken."

Kennemur zei dat zijn student-onderzoekers grotendeels de eer verdienen voor de ontdekking, terwijl het zijn rol was om hun inspanningen te begeleiden.

"Deel uitmaken van dit onderzoeksteam was waarschijnlijk een van de meest leerzame en interessante ervaringen die ik heb gehad tijdens mijn tijd bij FSU, " zei Boekbinder. "Naar mijn mening, praktijkervaring is de meest boeiende manier om te leren en heeft een langdurig effect. Ik zal de rest van mijn leven praten over het onderzoek en mijn rol in de ervaring."