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天津大学仰大勇《JACS》:加点水就能回收再加工的新型DNA塑料 有望告别塑料污染!

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2021-11-16

点击:1987

塑料在现代生活中发挥着重要作用,但目前塑料的回收仍具有挑战性。据统计,全球每年约有51-88百万吨废塑料堆积在环境中,而目前包括填埋(79%)和焚烧(12%)在内的处理方法会对环境带来严重的污染。此外,由塑料不完全降解产生的微塑料会对生态系统造成破坏,已在许多生物体中发现了微塑料,如双壳类、鱼类和哺乳动物,这严重威胁着人类的健康安全。面对这一困境,急需开发出新的能在整个材料生命周期内与环境兼容的可持续生物塑料。


天津大学仰大勇教授等人报道了一种由天然DNA和生物质衍生的离聚物制成的可持续生物塑料,并将其称为“DNA塑料”。可持续性涉及DNA塑料的生产、使用和回收的方方面面:(1)原材料来源于生物可再生资源;(2)生产过程环保,不涉及高能耗、有机溶剂、副产物等;(3)实现可回收和无损使用,显著延长塑料的使用寿命;(4) 废塑料的处理包括回收利用和可控降解两种绿色途径。此外,该DNA塑料可以通过“水焊接”形成任意形状的可设计产品。这项工作提供了一种将生物基水凝胶转化为生物塑料的新策略,并展示了DNA塑料的闭环回收过程,这对推动可持续材料的发展具有重要意义。该研究以题为“SustainableBioplastic Made from Biomass DNA and Ionomers”的论文发表在《J.Am. Chem. Soc.》上。



【可持续DNA塑料的设计和制备】


通常,聚合物需要在高温下被热压成塑料,其中涉及到聚合物链的断裂。而作者提出了一种完全不同的冷冻干燥工艺,可以将物理交联的DNA水凝胶转化为DNA塑料,而无需高能耗的工艺。作者首先制备物理交联的DNA凝胶,以弹性离聚物充当大分子交联剂,其能介导DNA的组装以形成DNA凝胶网络(图 1A)。其次,通过冷冻干燥将DNA凝胶转化为成型塑料(图1B)。该DNA塑料的回收非常简单,只需用水就能软化DNA塑料以形成无定形凝胶,再通过冷冻干燥将其加工成任意形状的塑料。作为演示,作者成功制备了DNA塑料杯(图 1E)。只需在这些零件的接缝处涂上少许水以软化塑料,使接缝处的DNA网络显示出类似“水焊接”的过程。将塑料杯风干2 min后,便能得到成型的DNA塑料杯。



图1可持续DNA塑料的设计和制备



图2可持续DNA塑料的表征和性能


【DNA塑料的可回收加工】


塑料的可回收使用是显著延长使用寿命并有效缓解白色污染的一个关键特征。考虑到水能够软化DNA塑料,作者提出了一种温和的可回收策略,使用水代替高温来实现聚合DNA链的流动性,从而使塑料具有不同形状的可加工性。为了研究塑料的软化过程,作者将三棱柱形塑料浸入水中。结果表明,塑料发生溶胀,并在20分钟内逐渐转变为无定形凝胶(图 3A)。为了确认塑料的可回收加工能力,作者使用这种软化/再加工策略,将三棱柱形塑料被连续加工成从三棱柱、圆柱体到原始长方体的不同形状。与原始塑料相比,经过5次和10次再加工的DNA塑料显示出相似的杨氏模量(图 3F)。因此,这种软化/再加工策略对于实现塑料的可回收利用是非破坏性的。



图3DNA塑料的可回收加工和再利用


【DNA塑料的三维成型】


为了制备具有复杂3D结构的DNA塑料,作者提出了模块化组装策略。DNA塑料可以使用水进行愈合和焊接以形成3D结构。软化的塑料表现出类似液体的性质,以促进动态DNA网络的扩散和移动,从而实现三维成型过程。此外,作者通过哑铃形状的DNA塑料样本来直观地展示其成愈合特性(图 4B),只要在其断裂处加少许水就能使红色标本和绿色标本愈合。与原始塑料相比,愈合后的塑料显示出相似的杨氏模量(图 4C)。结果表明,使用这种软化/再加工策略可实现废塑料的回收和再利用,这对于缓解塑料过剩危机和减轻环境负担至关重要。如果不回收废塑料,那也可以在温和条件下通过酶促降解处理废塑料,只需4小时就能完全降解(图 4F)。



图4水修复和水焊接可持续DNA塑料形成3D结构。


总结:作者制备出一种与环境兼容的新型可持续DNA塑料,其所有的原材料均来自生物可再生资源,加工方式环保,可回收且无损使用,这显著延长了塑料的使用寿命。此外,对于废塑料的处理遵循回收利用和酶促可控降解两种绿色路线。据报道,该DNA 塑料是任何其他已知塑料中最具环境可持续性的材料。


封面图来源图虫创意


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