美国能源部橡树岭国家实验室的化学家们发现了一种将废弃塑料中的聚合物转化为新型大分子的方法，这些新材料相比原材料具有更好的特性。这种被称为再升级（upcycling）的技术，可能为每年全球产生的约4.5亿吨塑料垃圾提供解决方案，而其中只有9%被回收；大多数塑料垃圾要么被焚烧，要么最终进入填埋场、海洋和其他地方。
橡树岭国家实验室（ORNL）的这一发明有可能通过改变聚合物的基础构件来改变塑料对环境的影响，定制其特性。通过连接分子亚单元，这些聚合物可以通过其主链互相连接并形成交联结构，从而形成多功能塑料。这些聚合物链的结构决定了最终材料的强度、刚度和耐热性。
分子编辑具有重大前景；它是两项诺贝尔化学奖的基础。2005年的奖项表彰了开发烯烃复分解反应的科学家，该反应可以创造和打破碳原子之间的双键，使亚单元之间的互换形成新的分子，仅由创造力绑定。类似地，2020年的奖项表彰了CRISPR的创造者，这是一种编辑DNA的工具，由由核苷酸亚单元构成的生物聚合物组成，编码着生命本身。
“我们拥有的类似于聚合物的CRISPR，”ORNL的杰弗里·福斯特（Jeffrey Foster）表示，他领导了一项发表在《美国化学学会杂志》上的研究。“我们关注的是改变聚合物链，而不是修改基因链。这是与传统塑料回收方法的一个不同，后者通常只是将材料融化，并期望产生正面结果。”
ORNL团队专门编辑了常见的废弃聚合物，这些聚合物对塑料污染的贡献很大。在他们的实验中，他们使用了在橡胶轮胎中常见的软聚丁二烯，以及在玩具、键盘、通风系统、保护装备、车辆组件和厨房电器中发现的坚固丙烯腈-丁二烯-苯 styrene（ABS）塑料。
“这种废物根本没有被回收，”福斯特评论说。“我们的技术正在处理这一大部分废物，这意味着显著的好处，保存了目前只能被填埋的材料的质量和能量。”
他们的过程的第一步是溶解废聚合物，以创建聚合物合成的即用添加剂。研究人员将合成或商业来源的聚丁二烯与丙烯腈-丁二烯-苯 styrene混合在一起，并用一种溶剂二氯甲烷浸泡材料，以便在低温（40摄氏度）下进行不到两个小时的化学反应。
一种钌催化剂帮助了聚合过程。这种催化剂已经在工业中用于开发耐用塑料和将生物质（如植物油）转化为燃料和其他有价值的有机物质，展示了其在化学再升级中的潜力。
聚合物主链的分子框架包括功能性基团，它们是作为反应位点的原子簇。值得注意的是，碳原子之间的双键提高了导致聚合反应的化学反应的可能性。当碳环在双键处打开时，它形成一个聚合物链，随着每个功能聚合物单元的无缝整合而延长，从而确保材料的保存。该添加剂还在调节合成材料的分子量方面起到作用，从而影响其特性和性能。
如果这种材料合成的方法能够应用到更广泛的工业重要聚合物中，它可能成为一种具有成本效益的再利用制造材料的方法，而这些材料目前只用于单一产品。再升级的材料可能比前身更柔软、更灵活，或者可能更容易成型和硬化为持久的热固性产品。
研究人员通过使用两种互补的过程对塑料废物进行了再升级。这两种过程都代表了复分解的一种形式，即组成成分的重新排列。碳原子之间的双键破裂并重新建立，从而允许聚合物亚单元交换位置。
第一种方法称为开环复分解聚合，打开碳环并将其延长成链，而第二种方法交叉复分解，将一个聚合物链中的聚合物亚单元整合到另一个中。
传统回收往往忽视了废弃塑料中的价值，因为它重新使用的聚合物在每次融化和重复使用中都会降解质量。相比之下，ORNL的开创性再升级方法利用现有的基础构件来增强废材料的质量和特性，增加额外的功能性和价值。
“我们的新过程具有高原子经济性，”福斯特指出。“这意味着我们几乎可以有效回收我们输入的所有材料。”
ORNL团队展示了他们的过程所需的能量更少，排放的污染物也比传统回收方法更少，能够高效地整合废材料，而不牺牲聚合物的质量。福斯特与伊利亚·波波夫（Ilja Popovs）和佐藤智纪（Tomonori Saito）共同构思了论文的主要观点，而尼古拉斯·加兰（Nicholas Galan）、以赛亚·迪施纳（Isaiah Dishner）和福斯特则致力于合成单体亚单元和改进聚合反应。乔舒亚·达姆朗（Joshua Damron）使用核磁共振光谱分析反应动力学，杰基·郑（Jackie Zheng）、关超（Chao Guan）和阿尼苏尔·拉赫曼（Anisur Rahman）评估最终产品的机械和热特性。
“我们设想这个概念可以扩展到任何在其主链中具有功能基团并能够反应的聚合物，”福斯特说。如果这种方法能够规模化并改用其他添加剂，它可能使更广泛的废物类别转变为分子基础构件，显著减少难以处理的塑料所造成的环境影响。这可以将循环经济的理念——重新利用废物而不是丢弃它——更接近现实。
在未来的研究中，研究人员旨在改变聚合物链中亚单元的类型，并重新排列它们，以探索高性能热固性材料（如环氧树脂、硫化橡胶、聚氨酯和硅胶）的创建。一旦固化，热固性材料的分子结构会变得交联，使其无法重新熔化或重新成型，从而使回收变得复杂。
该团队还希望改善溶剂，以实现工业应用的环境可持续性。
“这些废塑料可能需要一些预处理，我们仍在探索这一点，”福斯特解释道。
这项研究得到了美国能源部科学办公室（材料科学与工程项目）和ORNL实验室指导的研究与开发项目的资助。
