Trong ba năm qua, Ph.D. ứng cử viên Sophie van Lange đã cống hiến hết mình cho một mục tiêu rõ ràng: sản xuất nhựa vừa cứng vừa bền vững. Nhựa chúng ta sử dụng ngày nay có thể tái chế được hoặc bền và cứng—không phải cả hai. Van Lange đã từ bỏ các phương pháp tiếp cận hóa học truyền thống để sản xuất nhựa và phát triển một phương pháp hoàn toàn mới để tạo ra nhựa bền và có thể tái sử dụng theo một cách hoàn toàn mới. Bí quyết? Lực lượng vật chất.
Các chất điện phân với mức độ sàng lọc nội tại khác nhau tạo thành các chất phức tạp khi trộn trong dung dịch. Bốn chất điện phân được nghiên cứu của chúng tôi bao gồm một khung polystyrene với các chuỗi bên lấy cảm hứng từ chất lỏng ion. Độ dài đuôi alkyl và fluoroalkyl thay đổi để thay đổi cường độ tương tác. (A) Chất tạo phức không được sàng lọc (NS) có các nhóm ion tương đối dễ tiếp cận, cho phép liên kết ion mạnh, tương tự như PEC truyền thống. (B) Chất tạo phức nửa sàng lọc (HS) được tạo ra bằng polycation có độ sàng lọc cao, làm giảm cường độ tương tác ion trong phức chất. (C) Phức hợp được sàng lọc (S) chứa các đuôi sàng lọc ở cả polycation và polyanion, dẫn đến khả năng liên kết yếu nhất. (D) Sơ đồ minh họa sự tạo phức. Các chất phức hợp được tạo ra bằng cách hòa tan một polycation hoặc polyanion tương ứng và sau đó trộn đồng thời, dẫn đến sự kết tủa của một phức chất rắn. Chúng được rửa bằng nước cho đến khi độ dẫn đạt đến trạng thái cân bằng gần với độ dẫn của nước MilliQ, loại bỏ tất cả các ion tự do khỏi phức hợp. Chất tạo phức cuối cùng thu được ở dạng bột khô. số., số. Nguồn: Tiến bộ khoa học (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adi3606
Quá trình này bắt đầu với một cách thiết lập có vẻ đơn giản: một loại bột màu vàng trong một chiếc đĩa và một loại bột màu trắng trong một chiếc đĩa khác. Bằng cách hòa tan và kết hợp hai dung dịch này, đồng thời cho chúng chịu nhiệt và áp suất trong máy ép nóng, Van Lange biến những chất này thành một miếng nhựa hình chữ nhật có kích thước 2,5 cm trong vòng hai tuần.
Trong điều kiện bình thường, nhựa thu được chắc chắn và cứng nhưng có thể biến dạng khi đun nóng. Cô gọi những loại nhựa cải tiến này là "chất tạo phức". Van Lange và các đồng nghiệp của cô đã báo cáo về điều này trên tạp chí Science Advances.
Gia công nhựa bền vững
Nhựa có mặt khắp nơi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, dùng làm bao bì cho ớt và dưa chuột trong siêu thị hoặc làm bao bì cho đồ chơi mới. Van Lange vừa nói vừa chỉ vào gọng kính màu hồng của mình: “Nhưng nhựa cũng được kết hợp trong đôi giày ở chân và cặp kính trên mũi của tôi”. Tuy nhiên, chúng ta hiếm khi xem xét điều gì sẽ xảy ra với những chất liệu này sau khi giày bị hỏng hoặc khi bạn cần kính mới.
Nhà nghiên cứu trẻ cho biết: “Bạn có thể mang những món đồ cũ đến điểm tái chế, nhưng hầu như không ai biết chính xác điều gì sẽ xảy ra với chúng sau đó”. Hãy xem xét đế giày, cũng là một loại nhựa. Sau khi sử dụng, chúng ta không thể làm gì với nó ngoại trừ đốt hoặc mài nó. Các loại nhựa khác, như túi đựng hạt tiêu hoặc lớp trong hộp sữa, có thể được tái chế.
Van Lange nói: “Sẽ tuyệt biết bao nếu chúng ta có thể xử lý tất cả các loại nhựa một cách bền vững”. Cô được thúc đẩy bởi tình yêu của mình đối với các vật liệu bền vững và làm việc trên loại nhựa cải tiến này trong nhóm chủ trì Hóa lý và Vật chất mềm. Cô nói: “Tôi nghĩ vật liệu bền vững thực sự rất tuyệt vời.
Van Lange giải thích: “Ở quy mô phân tử, nhựa bao gồm các chuỗi dài. Trong nhựa cứng truyền thống, các chuỗi này được kết nối bằng các liên kết chéo hóa học để tạo độ bền. Tuy nhiên, những liên kết chéo này mạnh đến mức việc tái chế trở nên gần như không thể. Đó là lý do tại sao Van Lange đã thiết kế lại những loại nhựa này mà không có liên kết chéo hóa học, lần này sử dụng các lực vật lý có thể điều chỉnh được.
Lực hấp dẫn
Van Lange giải thích: “Một nửa số chuỗi tạo nên nhựa của chúng tôi mang điện tích dương”.
"Nửa còn lại được tích điện âm." Khi bạn đưa chúng tiếp xúc với nhau một cách chính xác, chúng sẽ hút nhau giống như hai nam châm. Điều này giữ các chuỗi lại với nhau mà không cần liên kết chéo hóa học. Khi bị nung nóng, lực hút giữa các bộ phận yếu đi, cho phép toàn bộ vật liệu định hình lại. Van Lange cho biết: “Điều này cho phép nhựa được tái sử dụng hoặc, ví dụ, sửa chữa một lỗ hoặc các hư hỏng khác trên nhựa bằng nhiệt”.
Cho đến nay, Ph.D. ứng viên đã sản xuất được khoảng ba gram nhựa mới. Cô nói: “Phải mất một thời gian tôi và các đồng nghiệp mới thực sự có được loại nhựa như mong muốn”. Tất cả đều quy về lực hấp dẫn: trong tự nhiên, các hạt dương và âm hút nhau rất mạnh. Điều này làm cho vật liệu trở nên giòn và gần như không thể biến dạng khi đun nóng. Van Lange nói: “Sự đổi mới nằm ở việc làm suy yếu đủ điện tích đó”.
Cô đã đạt được điều đó nhờ một loại "chiếc ô phân tử" che chắn một phần điện tích dương và âm trong nhựa. Tiến sĩ cho biết: “Đó là cách chúng tôi đạt được lực hút hoàn hảo và do đó, nhựa dễ biến dạng khi đun nóng”. ứng viên. Hơn nữa, những chiếc ô này có khả năng chống thấm nước, đảm bảo nhựa vẫn chắc chắn khi tiếp xúc với nước. Đế giày làm từ nhựa mới vẫn chắc chắn khi bước vào vũng nước. Van Lange cho biết thêm: “Vật liệu tích điện hầu như luôn nhạy cảm với nước, vì vậy việc đạt được điều này là rất đặc biệt”.
Linh hoạt hơn
Loại nhựa mới vẫn chưa hoàn toàn sẵn sàng. Ví dụ, vật liệu vẫn chưa đủ linh hoạt, theo Van Lange, "Chúng tôi chứng minh rằng ý tưởng này hoạt động được, nhưng bây giờ chúng tôi cần tìm cách mang lại cho nó nhiều đặc tính giống cao su hơn". Nhà nghiên cứu hy vọng đạt được điều này bằng cách giảm điện tích trong các bộ phức hợp, có lẽ bằng cách điều chỉnh các khối xây dựng của chuỗi tạo nên nhựa.
Van Lange nói: “Một giải pháp thay thế có thể là phóng to các ô phân tử”. Cô ấy cũng xem xét việc thay đổi loại dây chuyền. Tiến sĩ giải thích: “Chúng tôi hiện đang sử dụng polystyrene, một phân tử cứng”. ứng viên. “Nếu chúng ta thay thế nó bằng một biến thể linh hoạt hơn, chúng ta có thể sẽ có được một loại nhựa dẻo hơn.”
Mặc dù nhựa vẫn chưa sẵn sàng tung ra thị trường nhưng Ph.D. ứng viên hy vọng rằng công việc của mình sẽ truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khác. Nghiên cứu của cô chứng minh rằng tư duy vượt trội có thể dẫn đến những vật liệu hoàn toàn mới. Van Lange kết luận: “Tôi muốn thúc đẩy các nhà khoa học khác nhìn vào vật liệu một cách khác biệt và sử dụng chúng theo những cách độc đáo”.
