پلاستیک برپایه شیره کاج: یک بازیگر بالقوه برای آینده مواد پایدار

اخبار

پلاستیک برپایه شیره کاج: یک بازیگر بالقوه برای آینده مواد پایدار

در 100 سال گذشته، پلاستیک‌ها و پلیمرها شیوه عمل‌کردهای جهان را تغییر داده‌اند، از هواپیما و خودرو گرفته تا رایانه و تلفن همراه-تقریباً همگی آن‌ها از ترکیبات برپایه سوخت‌های فسیلی تشکیل شده اند. کشف تیم تحقیقاتی دانشگاه ایالت فلوریدا از پلاستیک جدیدی که از شیره کاج گرفته شده است، این پتانسیل را دارد که یک بازیگر برای مواد پایدار جدید باشد.

استادیار شیمی و بیوشیمی، Justin Kennemur، محقق اصلی در مورد این مطالعه که این کشف جدید را به تفصیل توضیح می‌ دهد، گفت که این یک گام قابل توجه در جهت درست برای پلاستیک‌های جدید بود و یک کشف اولیه است که می‌تواند منجر به چندین ماده جدید شود.

Kennemur می‌گوید: “آن چه که ما در حال حاضر می‌دانیم این پلاستیک شیشه‌ای و پایدار از نظر حرارتی است که می‌تواند در دمای بالاتری ذوب و شکل داده شود و آن را برای تبدیل به یک پلاستیک سخت در دمای محیط خنک می‌کنند.” “یکی از اهداف بعدی یادگرفتن برخی خواص مکانیکی این پلیمرها است. اما این ماده ویژگی‌های ساختاری بسیاری دارد که انعکاس‌دهنده پلاستیک‌هایی است که ما هر روز استفاده می کنیم، بنابراین نوید برای بسیاری از کاربردها وجود دارد.”

یافته های این تیم در مجله ACS Macro Letters منتشر شده است.

وی گفت: “امروزه 99% از پلاستیک‌ها از سوخت‌های فسیلی محدود، با افزایش تقاضا و محدودیت جغرافیایی تولید می‌شوند.” “تولید مواد از منابع تجدیدپذیر، و به ویژه شیره کاج، که ممکن است بدون از بین بردن درخت برداشت شود، تلاش قابل توجهی است.”

Alpha-pinene، فراوان‌ترین مولکول تولید شده از شیره کاج، به طرز ناامیدکننده‌ای جهت تبدیل به پلاستیک سخت است، بنابراین در حال حاضر کاربردهای محدودی دارد. این ماده عمدتاً در پاک‌کننده‌ها و حلال‌های بر پایه turpentine یافت می‌شود. Mark Yarolimek، دانشجوی دکتری FSU در رشته شیمی پلیمر که هدایت این مطالعه را بر عهده داشت، ابتدا alpha-pinene را به صورت مصنوعی اصلاح کرد که سبب شد این ترکیب به عنوان delta-pinene شناخته شود.

وی گفت: “من روی alpha-pinene یک سری واکنش‌های شیمیایی، تصفیه‌های متعدد و تعدادی آزمایش و خطا اعمال کردم که در نهایت در تبدیل آن به delta-pinene موفقیت‌آمیز بود.” “هنگامی که ما مایع خالص شده delta-pinene را به دست آوردیم، آن را از طریق یک واکنش شیمیایی نهایی به پلاستیک حاصله، یعنی poly-delta-pinene تبدیل کردم.”

Yarolimek و Heather Bookbinder، که به عنوان محقق دانشجوی دانشگاه روی پروژه قبل از فارغ‌التحصیلی در مقطع کارشناسی در رشته فیزیولوژی ورزش در سال 2020 ایفای نقش کردند، سپس طیفی از “پلیمریزاسیون ها” – واکنش‌های شیمیایی برای تبدیل مولکول‌های کوچک مایع به ماکرومولکول‌های جامد را انجام دادند – تا بیازمایند چه قدر این مولکول در تبدیل شدن به پلاستیک مؤثر بود.

این آزمایشات شامل اندازه‌گیری مقداری که delta-pinene در یک واکنش واحد به پلاستیک تبدیل شد، بود، این محققان چه قدر خوب می‌توانند رشد مولکول‌ها را کنترل کنند و چگونه تنوع شرایط بر روی مواد تأثیر گذاشت. همچنین آن‌ها خواص مختلف مواد پلاستیکی را شناسایی کردند، مانند که چه دمایی در آن پلیمرها ذوب می‌شوند و که چه مقدار گرما را پیش از آن که تجزیه شود، می‌تواند تحمل کند و نیز ساختار مولکولی مواد را مورد بررسی قرار دادند.

Brianna Coia، یک محقق فارغ‌التحصیل در گروه Kennemur، به صورت هم‌زمان delta-pinene را تجزیه و تحلیل کرد تا بفهمد آیا دارای ویژگی‌های ترمودینامیکی مناسب برای در معرض قرار گرفتن پلیمریزاسیون است. با منابع مرکز محاسبات تحقیقاتی FSU، Coia محاسبات نظریه تابع چگالی را انجام داد و نتایج محاسباتی او به خوبی با یافته‌های تجربی Yarolimek و Bookbinder هم‌راستا بود.

Yarolimek گفت که تبدیل چنین مولکول‌های زیست توده به پلاستیک‌های جدید با عمل‌کرد بالا، شبیه این یکی، برای ادامه زندگی ما ضروری است. این تیم قبلاً با دفتر تجاری‌سازی FSU به جهت تشکیل دادن پرونده یک پتنت برای موادی که کشف کرده اند، کار کرده است.

وی گفت: “به جای برگشتن به قرن هجدهم که چه وقت نفت تمام می‌شود، تغییر به سمت پلاستیک‌های زیست‌پایه به ما این امکان را می‌دهد تا بیش‌تر جلو برویم به سمت آن چه بعد روی می‌دهد.”

Kennemur گفت: ساختن پلاستیک‌های زیست پایه جدید تنها نیمی از این گفتگو است – مورد دیگر سرنوشت نهایی پلاستیک را شامل می‌شود. برای این ماده با عمل‌کرد بالا، در حالی که یک عمر مفید کوتاه در برابر تجزیه‌پذیر بودن دارد، نامطلوب خواهد بود اما هم‌چنان راهی نیاز دارد تا بازیافت شود. این امر ممکن است به معنی فرآیندهای تجزیه در حال توسعه از طریق یک محرک شیمیایی باشد.

وی گفت: “تحقیقات ما در هر دو مورد سرمایه‌گذاری می‌شود. ما مواد جدیدی می‌سازیم، اما در حال بررسی قابلیت بازیافت شیمیایی آن‌ها نیز هستیم.” “ما این پلاستیک جدید را ساختیم، اما این تازه آغاز کار است. ما همچنین نیاز داریم که بیاموزیم که چه طور این پلاستیک را تخریب کنیم و برنامه‌هایی برای شروع تحقیق در آن مورد داریم.”

Kennemur گفت که محققان دانشجوی وی تا حد زیادی شایسته اعتبار برای این کشف هستند در حالی که نقش او هدایت تلاش‌های آن‌ها بود.

Bookbinderگفت: “عضویت در این تیم تحقیقاتی احتمالاً یکی از آموزشی‌ترین و جالب‌ترین تجربیاتی بود که من در دوران تحصیل در FSU داشتم.” “به نظر من، تجربه عملی جذاب‌ترین راه برای یادگیری است و تأثیر طولانی مدتی دارد. من تا پایان عمر در مورد تحقیق و نقشم در این تجربه برای سایرین صحبت خواهم کرد.”