Международная совместная исследовательская группа под руководством директора группы Такудзо Аиды в Центре науки о возникающей материи RIKEN разработала бесцветный, прозрачный, сверхплотный, стекловидный супрамолекулярный пластик, очень прочный, но при этом распадающийся на сырье, пригодное для метаболизма живыми организмами, при простом погружении в морскую воду.
Аида сказал: «Наши пластмассы почти не влияют на экосистему, потому что они распадаются на гексаметафосфат натрия, который используется в качестве пищевой добавки и для других целей, и сульфат гуанидиния, который подвергается биохимическому разложению при простом погружении в солёную воду. Ожидается, что этот подход найдёт применение в различных областях. Я думаю, что нам удалось продемонстрировать значительную часть того, какими должны быть пластмассы».
Супрамолекулярные полимеры можно легко преобразовать обратно в исходные мономеры, поскольку их связи обратимы. Однако долгое время считалось, что супрамолекулярные полимеры можно использовать только в качестве мягких материалов, таких как резина, и что они не подходят в качестве альтернативных материалов для удовлетворения спроса на пластмассы.
Исследование Аиды было основано на новой концепции подавления обратимости связей путём использования двух ионных мономеров в качестве сырья, которые обладают свойством разделяться на фазы сразу после образования поперечных связей. Международная исследовательская группа смешала два биохимически метаболизируемых ионных мономера в воде при комнатной температуре. Смесь двух сырьевых материалов разделяется на верхнюю и нижнюю фазы, при этом сырьевые материалы прилипают друг к другу за счёт электростатических взаимодействий, усиленных водородными связями (солевыми мостиками), образуя поперечную структуру.
Верхняя фаза (водная фаза) включает в себя неорганические противоионы мономеров в плотной воде (обессоливание), в то время как в нижней фазе, которая превращается в конденсированную фазу, образуется сшитая структура, связанная электростатическими взаимодействиями (солевыми мостиками). Такое фазовое разделение стабилизирует сшитую структуру и предотвращает её отделение от сырья, если не добавлять соль извне. Они обнаружили, что после отделения и высушивания конденсированной фазы можно получить почти в чистом виде бесцветный, прозрачный, сверхплотный, стекловидный супрамолекулярный пластик.
«Солевые мостики — это очень прочные связи, потому что эти поперечные связи образуются как за счёт ионных, так и за счёт водородных связей, но они легко разрушаются при контакте с солью. Выход составляет 95%, что означает, что большая часть используемого сырья превращается в пластик». (Аида)
Различные физические свойства супрамолекулярных пластиков также можно регулировать, изменяя структуру мономера сульфата гуанидиния. В этом исследовании с помощью мономеров сульфата гуанидиния, различающихся по структуре, были получены супрамолекулярные пластики с верхним температурным пределом 315 ℃, супрамолекулярные пластики с твёрдостью, определяемой модулем Юнга в 18 гигапаскалей, и супрамолекулярные пластики с прочностью на разрыв 36 мегапаскалей. Все супрамолекулярные пластмассы, разработанные в ходе этого исследования, были твёрдыми, но при нагревании им можно было легко придать даже сложную форму. Их физические свойства выгодно отличались от свойств существующих пластмасс.
При этом в солёной воде они быстро распадаются на исходные мономеры и подвергаются биохимическому метаболизму бактерий и других организмов. Таким образом, эти пластмассы не наносят вреда окружающей среде. Гексаметафосфат натрия, один из исходных мономеров, широко используется в качестве пищевой добавки и в сельском хозяйстве и стоит всего 20 000 иен за тонну. Сульфат гуанидиния, другой исходный мономер, может быть частично синтезирован из природных аминов.
«Фосфор и азот, содержащиеся в этих мономерах, важны в качестве удобрений, а фосфора в океанах не хватает, за исключением прилегающих вод. Поэтому я не вижу проблемы в том, что они попадают в океан». (Аида)
Кроме того, эти пластмассы можно синтезировать за один этап и расщепить на сырьё, просто поместив их в солёную воду. Таким образом, их очень легко не только производить, но и перерабатывать. Более того, их можно использовать так же, как и обычные пластмассы, если покрыть поверхность гидрофобным покрытием.
Международная исследовательская группа также разработала супрамолекулярный пластик на основе полисахаридов, используя вместо гексаметафосфата натрия хондроитинсульфат натрия, природный полисахарид, что расширяет возможности этого метода супрамолекулярной полимеризации. Супрамолекулярный пластик на основе полисахаридов обладает более высокой прочностью на разрыв — 9 мегапаскалей — и может использоваться для 3D-печати с регулируемой плотностью.