Doğadan ilham alan plastikler çevre kirliliğine çözüm olabilir

Rutgers Üniversitesi Kimya ve Kimyasal Biyoloji Bölümü'nde yardımcı doçent olan Yuwei Gu, bir dağ patikasında yürüyüş sırasında yaşadığı gözlem, bilim dünyasında önemli bir keşfe yol açtı. Bear Mountain Eyalet Parkı'nda patika boyunca dağılmış plastik şişeleri ve yakındaki gölde sürüklenen çöpleri gören Gu, manzaralı doğanın plastik atıklarla kirlenmesi arasındaki çelişkiye takılıp kaldı. Bu anı, kendisini durup düşünmeye ve sonrasında çevre sorununa çözüm arayışına itecek olan başlangıç noktası oldu.

Doğanın Polimerleri ve İnsan Yapımı Plastiklerin Farkı

Gu'nun araştırması, doğada bulunan polimerler ile insan tarafından üretilen plastikler arasındaki temel farkı ortaya koymakla başladı. DNA, RNA, proteinler ve selüloz gibi doğal polimerler, canlı sistemlerin işlevini yerine getirdikten sonra doğal olarak parçalanıp yok olur. Ancak sentetik plastikler, parçalanmak yerine çevrede uzun vadede birikme eğilimindedir. Gu, bu durumun nedenini sorguladığında, cevabın kimyada yatması gerektiğini düşündü. Doğal polimerler, yapılarına yerleştirilmiş küçük kimyasal gruplar sayesinde, koşullar uygun olduğunda kimyasal bağlarını gevşetebilir ve böylece parçalanması kolaylaştırılır. "Biyoloji her yerde proteinler, DNA, RNA ve selüloz gibi polimerleri kullanır, ancak doğa sentetik plastiklerde gördüğümüz türden uzun vadeli birikim sorunlarıyla asla karşılaşmaz" diye açıklayan Gu, bu yapısal numarayı insan yapımı plastiklere uyarlamanın mümkün olabileceğini düşündü.

Doğanın Planını Kopyalama Stratejisi

Gu ve Rutgers Üniversitesi'ndeki araştırma ekibi, doğanın bu ilkesini ödünç alarak, ısı veya sert kimyasallar olmadan günlük koşullar altında parçalanabilen plastikler yaratmayı başardılar. Nature Chemistry dergisinde yayınlanan çalışmalarında, ekip, modern plastiklerin en büyük zorluklarından biriyle mücadele etmeyi amaçladıklarını belirttiler. Hedef, plastiklerin özel işlemler gerektirmeden, normal koşullar altında doğal olarak bozunmasına izin verecek yeni bir kimyasal strateji bulmaktı. Polimer yapısı, bir ip üzerindeki boncuklar gibi birbirine bağlı birçok tekrarlayan birimden oluşur ve bu birimleri bir arada tutan kimyasal bağlar, atomları moleküllerde yapıştırıcı gibi çalışır. Güçlü bağlar plastikleri dayanıklı kılarken, onları parçalanması zor hale getirir. Gu'nun araştırması, malzemeyi kullanım sırasında zayıflatmadan, gerektiğinde bu bağları kırılmasını kolaylaştırmaya odaklanmıştır.

Yapısal "Ön Katlama" ve Programlanabilir Parçalanma

Keşfin anahtarı, araştırmacıların plastiğin kimyasal yapısının bileşenlerini, tetiklendiğinde parçalanmaya başlamak için mükemmel konumda olacak şekilde düzenlemeleriydi. Bu süreç, bir kağıt parçasını katlamaya benzetilebilir; kırışık boyunca kolayca yırtılır. Yapıyı "önceden katlayarak", plastik normalden binlerce kat daha hızlı parçalanabilir hale gelir. Plastik aktive edildiğinde kırılması daha kolay olsa da, temel kimyasal yapısı aynı kalır, bu nedenle kullanıcı onu bozunmasını istediği ana kadar güçlü ve kullanışlı kalır. Gu, komşu grupların tam uzamsal düzenlemesinin polimerin ne kadar hızlı bozunduğunu önemli ölçüde değiştirdiğini bulmuştur. Yönelimlerini ve konumlandırmalarını kontrol ederek, aynı plastiği günler, aylar ve hatta yıllar içinde parçalanacak şekilde tasarlamak mümkün hale gelmiştir. Bu ince ayar yeteneği, farklı ürünlerin amaçlarına uygun ömürlere sahip olabileceği anlamına gelir. Paket servis yemek ambalajının dağılmadan önce yalnızca bir gün dayanması gerekebilirken, araba parçaları yıllarca dayanmalıdır. Ekip, parçalanmanın yerleşik olabileceğini veya ultraviyole ışık veya metal iyonları kullanılarak açılıp kapatılabileceğini göstererek başka bir kontrol katmanı eklemiştir.