通过编辑废弃塑料的聚合物，能源部橡树岭国家实验室的化学家找到了一种产生比起始材料更有价值的新大分子的方法。

升级再造可能有助于补救全球每年丢弃的大约 4.5 亿吨塑料，其中只有 9% 被回收利用;其余的被焚烧或最终进入垃圾填埋场、海洋或其他地方。

通过重新排列聚合物构建块来减少塑料垃圾

ORNL 的发明可能会通过重新排列聚合物构建块来定制塑料的特性，从而改变塑料的环境命运。分子亚基连接产生聚合物链，这些聚合物链可以通过其主链和交联分子连接以形成多用途塑料。聚合物链的组成决定了这些塑料的强度、刚度或耐热性。

分子编辑是如此有前途，以至于它已成为两项诺贝尔化学奖的基础。2005 年，该奖项授予复分解反应的开发人员，该反应在环和链中的碳原子之间断裂并形成双键，以便它们的亚基可以交换以产生仅受想象力限制的新分子。同样，在 2020 年，该奖项颁给了 CRISPR 的开发者，CRISPR 是用于编辑 DNA 链的“基因剪刀”，这是一种由携带生命密码的核苷酸亚基制成的生物聚合物。

“这是用于编辑聚合物的 CRISPR，”ORNL 的 Jeffrey Foster 说，他领导了一项发表在《美国化学会杂志》上的研究。“然而，我们不是编辑基因链，而是编辑聚合物链。这不是典型的塑料回收'融化并希望最好'的情况。

ORNL 研究人员对造成塑料垃圾有重大影响的商品聚合物进行了精确编辑。在一些实验中，研究人员使用橡胶轮胎中常见的软聚丁二烯。在其他实验中，他们使用坚韧的丙烯腈丁二烯苯乙烯、塑料玩具、电脑键盘、通风管、防护头套、汽车装饰和成型件以及厨房用具的材料。

“这是一种根本没有回收的废物流，”福斯特说。“我们正在通过这项技术解决废物流的重要组成部分。仅仅通过保护现在进入垃圾填埋场的材料的质量守恒和能量，就会产生相当大的影响。

比原始聚合物更柔软、更有弹性的材料

溶解废弃聚合物是制造用于聚合物合成的即用型添加剂的第一步。研究人员将合成或商业聚丁二烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯切碎，并将材料浸入溶剂二氯甲烷中，在低温（40 摄氏度）下进行化学反应，时间不到两个小时。

钌催化剂促进了聚合或聚合物添加。工业公司已经使用这种催化剂制造坚固的塑料，并毫不费力地将植物油等生物质转化为燃料和其他高价值有机化合物，这凸显了其在化学升级回收中的应用潜力。

聚合物主链的分子构建单元包含官能团或原子簇，用作修饰的反应位点。值得注意的是，碳之间的双键增加了发生化学反应的机会，从而促成聚合。碳环在双键处打开，形成聚合物链，当每个功能性聚合物单元直接滑入时，该聚合物链会生长，从而保护材料。塑料添加剂还有助于控制合成材料的分子量，进而控制其性能。

如果这种材料合成策略可以扩展到更广泛的工业重要聚合物，那么它可能被证明是一条经济上可行的途径，可以重复使用今天只能用于单一产品的制造材料。例如，升级再造的材料可能比原始聚合物更柔软、更有弹性，或者可能更容易成型和硬化成耐用的热固性产品。

科学家们通过同时采用两种工艺来升级回收塑料垃圾。两者都是 metathesis 的类型，这意味着位置的变化。双键在碳原子之间断裂并形成，允许聚合物亚基交换。

一种称为开环复分解聚合的过程打开碳环并将其拉长成链。另一个过程称为交叉复分解，将聚合物亚基链从一个聚合物链插入另一个聚合物链中。

使用现有构建块提供附加功能和价值

传统的回收利用无法捕捉到废弃塑料的价值，因为它会重复使用聚合物，而这些聚合物在每次熔化和再利用时都会因降解而变得价值降低。相比之下，ORNL 的创新升级回收利用现有的构建块来整合废料的质量和特性，并提供额外的功能和价值。

“新工艺具有很高的原子经济性，”Foster 说。“这意味着我们几乎可以回收我们投入的所有材料。”

ORNL 科学家证明，与传统回收相比，该工艺使用更少的能源和产生的排放物，可以有效地整合废料，而不会影响聚合物质量。Foster、Ilja Popovs 和 Tomonori Saito 构思了这篇论文的想法。Nicholas Galan、Isaiah Dishner 和 Foster 合成了单体亚基并优化了它们的聚合。Joshua Damron 进行了核磁共振波谱实验以分析反应动力学。Jackie Zheng、Chao Guan 和 Anisur Rahman 表征了最终材料的机械和热性能。

Foster说：“我们的愿景是，这个概念可以扩展到任何具有某种主链官能团反应的聚合物。如果扩大规模并扩大使用其他添加剂，则可以开采更多类别的废物作为分子构建单元，从而大大减少其他难以加工的塑料对环境的影响。循环经济——废料被重新利用而不是丢弃——就成为一个更现实的目标。

接下来，研究人员对改变聚合物链中亚基的类型并重新排列它们感兴趣，看看它们是否可以创造出高性能的热固性材料。例如环氧树脂、硫化橡胶、聚氨酯和硅胶。一旦固化，热固性材料就不能重新熔化或重塑，因为它们的分子结构是交联的。这使得他们的回收成为一个挑战。

研究人员还对优化溶剂以实现工业加工过程中的环境可持续性感兴趣。

“这些废塑料需要进行一些预处理，我们仍然需要弄清楚，”Foster 说。