Mensen leefden tot de vorige eeuw zonder plastic, maar de meesten van ons zouden het moeilijk vinden om ons voor te stellen hoe.

Plastic is nu overal in ons leven, biedt goedkoop gemak en andere voordelen in talloze toepassingen. Ze kunnen worden gevormd voor bijna elke taak, van piekerige films tot squishy kinderspeelgoed en hardcore componenten. Ze hebben laten zien dat ze van vitaal belang zijn in de geneeskunde en hebben de afgelopen 16 maanden een cruciale rol gespeeld in de wereldwijde inspanningen om de verspreiding van de COVID-19-pandemie te vertragen.

Kunststoffen lijken tegenwoordig onmisbaar.

Helaas voor de lange termijn, ze zijn ook bijna onverwoestbaar. Onze planeet draagt ​​nu het gewicht van meer dan zeven miljard ton plastic, en er wordt elke dag meer geproduceerd. Een steeds groter wordende afvalstroom verstopt onze stortplaatsen, vervuilt onze waterwegen en vormt een urgente crisis voor onze planeet.

Vier wetenschappers hebben een oproep tot actie gepubliceerd in een nieuw nummer van Wetenschap , gewijd aan het plasticprobleem.

In een uitgebreid inleidend artikel, de wetenschappers, waaronder twee van de Universiteit van Delaware, een van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië en een andere van de University of Sheffield in het Verenigd Koninkrijk - roepen op tot fundamentele verandering in de manier waarop kunststoffen worden ontworpen, geproduceerd, gebruikt en hergebruikt.

Het uiteindelijke doel:ontwerpen, het aannemen en waarborgen van een "circulaire" levenscyclus voor kunststoffen die niet leidt tot een stortplaats of een oceaan of een wegkant, maar op een lange levensduur van bijna oneindig gebruik en hergebruik van de waardevolle bronnen en toepassingen die ze vertegenwoordigen.

Dat vereist nieuwe benaderingen van de chemie, Engineering, industriële processen, beleid en wereldwijde samenwerking, volgens co-auteurs LaShanda T.J. Korley, directeur van het Center for Plastics Innovation (CPI) aan de Universiteit van Delaware en de hoofdonderzoeker van een National Science Foundation (NSF) Partnerships for International Research and Education-inspanningen in bio-geïnspireerde materialen en systemen; Thomas H. Epps van UD, III, mededirecteur van CPI, hoofdonderzoeker van een NSF Growing Convergence Research (GCR) -inspanning in Materials Life-Cycle Management en directeur van het Center for Hybrid, Actief, en responsieve materialen (CHARM) bij UD; Brett A. Helms van de Molecular Foundry in het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië; en Anthony J. Ryan van het Grantham Centre for Sustainable Futures aan de Universiteit van Sheffield in het Verenigd Koninkrijk.

"Het plasticafvaldilemma is een wereldwijde uitdaging die dringend ingrijpen vereist en een gezamenlijke inspanning die partners in industriële, academisch, financieel, en overheidssectoren gesteund door forse investeringen in duurzaamheid, " zij schrijven.

Het is een hele opgave met aandacht voor recycling, "upcycling" (hergebruik van materialen op nieuwe manieren met toegevoegde waarde), ontwikkeling van nieuwe materialen en erkenning van de behoeften van gemeenschappen met weinig middelen.

"Er is geen one-size-fits-all oplossing, " zei Korley, Distinguished Professor of Materials Science and Engineering aan de UD, die haar carrière heeft besteed aan het ontwikkelen van nieuwe kunststoffen met specifieke eigenschappen. "Hoe mensen met afval leven en hoe ze recyclen, is zo verschillend. Reizen in Europa heeft het schril contrast in het gebruik van plastic voor eenmalig gebruik duidelijk gemaakt, zoals rietjes en bestek in vergelijking met de V.S. Over de V.S., steden en gemeenten binnen één staat kunnen dingen anders doen."

Complexe recepten worden in veel kunststoffen gebruikt, Korley zei, en bevatten vaak verschillende soorten polymeren en andere additieven. Elk onderdeel kan recyclinginspanningen bemoeilijken of recycling onmogelijk maken, daarom zullen recyclers sommige soorten plastic accepteren en andere weigeren.

Maar hoe kunnen kunststoffen zo worden ontworpen dat al hun componenten kunnen worden gedeconstrueerd voor toekomstig gebruik in andere producten?

Dit is de uitdaging voor CPI, die Korley regisseert. De focus ligt op het "upcyclen" van kunststoffen - manieren vinden om plastic afval om te zetten in waardevolle materialen zoals brandstoffen en smeermiddelen. Onderzoekers gebruiken katalyse en enzymen om sommige soorten plastic te reconstrueren, zoals polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE), polyethyleen met lage dichtheid (LDPE) en polystyreen/piepschuim, de soorten plastic die in melkkannen worden gebruikt, shampooflessen, boterhamzakjes, koffiekopjes, boodschappentassen en voedselverpakkingen.

"Verschillende materiaaleigenschappen vereisen het gebruik van verschillende polymeren en mengsels en additieven, die bijdraagt ​​aan de complexiteit en hiërarchie van afval, ' zei Korley.

De Wetenschap papier behandelt dat en nog veel meer, met een urgentie die de reële en huidige gevaren weerspiegelt voor een planeet die wordt verstikt door afgedankte kunststoffen die nergens snel naartoe gaan.

Sommige van die realiteiten zijn inderdaad grimmig. Neem de plastic waterfles die vijf jaar geleden hielp je dorst te lessen na een ochtend joggen, bijvoorbeeld. Het zal waarschijnlijk nog 395 jaar bij ons zijn - ergens -. Langzame achteruitgang helpt ons ook niet. Wetenschappers hebben ontdekt dat kleine microdeeltjes versleten plastic veel voorkomen in het water dat we drinken en het voedsel dat we eten.

Minder dan 10% van het plastic afval wordt überhaupt gerecycled en minder dan 1% zal meer dan eens worden gerecycled. Ongeveer 12% wordt verbrand. Miljoenen tonnen afgedankt plastic komen terecht in gigantische wervelingen van puin in de oceaan en de rest stapelt zich op op stortplaatsen, zinkt in rivierbeddingen of ligt op bermen over de hele wereld.

Maar Helms, een co-auteur van het Lawrence Berkeley National Lab, maakte deel uit van het team dat een plastic van de volgende generatie creëerde met de naam PDK (polydiketoenamine), die kan worden teruggebracht tot zijn moleculaire delen en indien nodig opnieuw kan worden samengesteld.

"We bevinden ons op een kritiek punt waarop we moeten nadenken over de infrastructuur die nodig is om recyclingfaciliteiten te moderniseren voor toekomstige afvalsortering en -verwerking, "Zei Helms nadat het nieuwe materiaal was aangekondigd. "Als deze faciliteiten waren ontworpen om PDK en verwante kunststoffen te recyclen of upcyclen, dan zouden we in staat zijn om plastic effectiever van stortplaatsen en de oceanen af ​​te voeren. Dit is een spannende tijd om na te denken over het ontwerpen van zowel materialen als recyclingfaciliteiten om circulaire kunststoffen mogelijk te maken."

De bouwstenen van kunststoffen - monomeren - bestaan ​​uit elementen zoals koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, chloor en zwavel. Deze monomeren zijn verbonden door chemische bindingen om polymeren te worden, die kan worden gebruikt bij de vorming van kunststoffen die in verschillende vormen voor veel verschillende toepassingen kunnen worden verwerkt.

De waarde van al die bronnen gaat verloren in toepassingen voor eenmalig gebruik, zei Ryan van Sheffield. Hij noemt het een "gemakkelijke waarheid" - het gemak en de goedkope kosten van dergelijke producten maken ze aantrekkelijk voor consumenten, zonder de inherente waarde en kosten voor de planeet te erkennen. Vooral marketingstrategieën die beweren dat bepaalde plastic producten "groen" en biologisch afbreekbaar zijn om goedbedoelende consumenten aan te trekken, baart hem zorgen.

"Cynische 'greenwash' is het grootste probleem voor de duurzaamheid van plastic, " zei hij. "Dus ik wilde hier graag met LaShanda en Thomas aan werken. Ik ken ze al sinds ze Ph.D. studenten."

Met innovatie en samenwerking als pijlers van de nieuwe centra die zij mede-regisseren—Korley's U.S. Department of Energy-backed CPI en Epps' NSF-backed CHARM and GCR, Korley en Epps, de Allan en Myra Ferguson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering, lopen voorop bij inspanningen om de levensduur van van aardolie en bio-afgeleide kunststoffen te verlengen en/of ze op een circulair pad te brengen dat van productie tot eerste gebruik tot reconstitutie tot voor altijd voortduurt.

Ryan zei dat hij een "circulaire economie" als cruciaal beschouwt. Hij ziet de waarde in recycling en upcycling en ontwikkeling van nieuwe materialen, maar geen enkele is een 'zilveren kogel'. Om het plasticdilemma aan te pakken, moet de werkelijke waarde van plastic worden erkend.

"Een oplossing is iets waar Amerika niet erg goed in is:regelgeving, beleid en belastingen, " zei hij. "Er is geen eenvoudig antwoord op het plasticprobleem. Een ongebreidelde markt zal het niet bieden.

"Voor al deze kwesties waar wetenschap en techniek en de samenleving elkaar kruisen, het antwoord is altijd:het is ingewikkeld."

Een nauwkeuriger perspectief, volgens Ryan, is om het plasticprobleem te zien als gerelateerd aan het klimaatprobleem zonder dat het een afleiding is.

"Klimaatverandering is een ongemakkelijke waarheid en een onzichtbare waarheid, " zei hij. "Je kunt niet zien wat het veroorzaakt en je kunt geen kooldioxide in de atmosfeer zien. Je associeert het rijden naar de winkel niet met klimaatverandering.

"Je associeert dingen met plastic afval - en dat is een gemakkelijke waarheid. We hebben er geen probleem mee om fossiele brandstoffen te gebruiken en er plastic van te maken. Maar nu moeten we zorg dragen voor dat kostbare plastic. Gooi het niet zomaar weg. gewoon te goedkoop.Vanwege het vervuilingsprobleem, we moeten het een kunstmatig hoge prijs geven."

Levenscyclusanalysegegevens zijn essentieel voor het nemen van op feiten gebaseerde beslissingen, Ryan zei, en consumenten en wetgevers kunnen dat niet alleen. Ze hebben professionals nodig om de kosten en baten op te splitsen en de opties uit te leggen.

"Het is veel complexer dan de meeste mensen willen overwegen, " hij zei.

De oproep tot actie is veelomvattend.

"Om een ​​duurzamere toekomst te bereiken, integratie van niet alleen technologische overwegingen, maar ook aandelenanalyse, consumentengedrag, geografische eisen, beleidshervorming, levenscyclusanalyse, uitlijning van de infrastructuur, en supply chain-partnerschappen zijn van vitaal belang, " zeiden de auteurs.

Korley zei dat ze een groeiende passie voor deze ontmoedigende uitdaging ziet.

"Deze initiatieven zorgen voor opwinding bij onze studenten - middelbare school, undergraduate en graduate en onze postdocs, " zei ze. "Mensen zijn gepassioneerd om iets te doen om de wereld te verbeteren. En ze kunnen met hun oma of hun nichtje of neefje praten en uitleggen waarom het werk dat ze doen ertoe doet."