Yuwei Gu estava caminhando pelo Bear Mountain State Park, em Nova York, quando uma visão inesperada chamou sua atenção. Garrafas plásticas estavam espalhadas ao longo da trilha, e outras flutuavam no lago próximo. Ver resíduos de plástico em um ambiente tão natural parou o químico da Rutgers e fez sua mente disparar.
Gu começou a pensar em polímeros, as moléculas de cadeia longa que constituem tanto os materiais naturais quanto os plásticos modernos. DNA e RNA são polímeros, assim como proteínas e celulose. A diferença é que os polímeros naturais degradam-se com o tempo, enquanto os plásticos sintéticos permanecem frequentemente no ambiente durante décadas ou mais.
“A biologia usa polímeros em todos os lugares, como proteínas, DNA, RNA e celulose, mas a natureza nunca enfrenta os problemas de armazenamento a longo prazo que vemos com os plásticos sintéticos”, disse Gu, professor assistente de química e biologia química na Rutgers School of Arts and Sciences.
Parado ali na floresta, o motivo de repente ficou claro para ele.
“A diferença tem que ser a química”, disse ele.
Copiando a estratégia de saída integrada da natureza
Gu percebeu que se os polímeros naturais podem desempenhar a sua função e depois desaparecer, os plásticos artificiais podem fazer o mesmo. Ele já sabia que os polímeros biológicos contêm pequenas características químicas incorporadas que ajudam a quebrar as suas ligações no momento certo.
“Pensei: e se copiarmos esse truque estrutural?” ele disse. “Podemos fazer com que os plásticos artificiais se comportem da mesma maneira?”
Esta questão levou a um avanço. Num estudo publicado em Química da naturezaGu e seus colegas da Rutgers mostraram que o uso dessa abordagem inspirada na natureza permite que os plásticos se degradem em ambientes cotidianos sem exigir altas temperaturas ou produtos químicos agressivos.
“Queríamos resolver um dos maiores problemas do plástico hoje”, disse Gu. “Nosso objetivo era encontrar uma nova estratégia química que permitisse que os plásticos se degradassem naturalmente nas condições cotidianas, sem a necessidade de tratamento especial”.
Como funcionam os polímeros e as ligações químicas
Os polímeros consistem em muitas unidades repetidas ligadas entre si como contas em um cordão. Esta categoria inclui plásticos, bem como DNA, RNA e proteínas. DNA e RNA são compostos de cadeias de unidades menores conhecidas como nucleotídeos, enquanto as proteínas são construídas a partir de aminoácidos.
Essas unidades são mantidas unidas por ligações químicas que atuam como cola no nível molecular. Nos polímeros, essas ligações conectam um bloco de construção ao outro. Ligações fortes conferem durabilidade aos plásticos, mas também os tornam mais difíceis de quebrar após serem jogados fora. A pesquisa de Gu se concentrou no projeto de ligações que permanecessem fortes durante o uso, mas que fossem quebradas mais facilmente posteriormente, quando a degradação fosse desejada.
Plástico programável com pontos fracos integrados
Esta pesquisa faz mais do que tornar o plástico biodegradável. Isso torna sua divisão programável.
A principal descoberta envolveu organizar cuidadosamente partes da estrutura química do plástico para que estivessem na posição correta para começar a se desintegrar quando acionadas. Gu compara a ideia a dobrar um pedaço de papel para que ele rasgue facilmente ao longo da dobra. Graças ao “pré-dobramento” eficaz da estrutura a nível molecular, o plástico pode colapsar milhares de vezes mais rápido do que o normal.
Apesar desta vulnerabilidade inerente, a química geral do plástico permanece a mesma. Isto significa que permanece forte e útil até que a degradação seja ativada.
“Mais importante ainda, descobrimos que o arranjo espacial preciso desses grupos adjacentes altera drasticamente a taxa de degradação do polímero”, disse Gu. “Ao controlar sua orientação e posicionamento, podemos projetar o mesmo plástico para se degradar ao longo de dias, meses ou até anos.”
Comparando a vida útil do plástico com o uso real
Este nível de controle permite que os plásticos sejam desenvolvidos com uma vida útil que corresponda à finalidade pretendida. As embalagens de alimentos podem durar apenas um dia, enquanto os componentes automotivos devem durar muitos anos. Os pesquisadores mostraram que a degradação pode ser incorporada desde o início ou ativada posteriormente pela luz UV ou por íons metálicos.
As aplicações potenciais vão muito além da redução da poluição plástica. Gu disse que a mesma química pode levar à administração temporária de medicamentos em cápsulas ou revestimentos que se autodissolvem após um período de tempo.
“Esta pesquisa não apenas abre as portas para plásticos mais ambientalmente responsáveis, mas também expande a caixa de ferramentas para o desenvolvimento de materiais inteligentes e responsivos à base de polímeros em muitos campos”, disse ele.
Testes de segurança e o caminho a seguir
Para Gu, a visão de longo prazo é simples. O plástico deve fazer o seu trabalho e depois desaparecer.
“Nossa estratégia fornece uma maneira prática e baseada na química de reprojetar esses materiais para que eles ainda tenham um bom desempenho durante o uso, mas depois se degradem naturalmente”, disse ele.
Os primeiros testes laboratoriais mostram que o líquido produzido quando o plástico se decompõe não é tóxico, mas Gu sublinhou que são necessários mais testes para confirmar a segurança a longo prazo.
Olhando para trás, Gu disse que ficou surpreso que a ideia que surgiu durante a caminhada silenciosa realmente funcionou.
“Era uma ideia simples: copiar a estrutura da natureza para atingir o mesmo objetivo”, disse. “Mas ver o sucesso foi incrível.”
Expandindo a pesquisa
Gu e sua equipe estão agora avançando na pesquisa. Eles estudam cuidadosamente se os pequenos fragmentos deixados após a destruição do plástico representam perigo para os organismos vivos ou ecossistemas, garantindo a segurança durante todo o ciclo de vida do material.
Eles também estão explorando como sua abordagem química pode ser aplicada aos plásticos convencionais e integrada aos processos de fabricação existentes. Ao mesmo tempo, estão testando se o método pode ser usado para criar cápsulas que liberam medicamentos em horários cuidadosamente controlados.
Embora os desafios técnicos permaneçam, Gu acredita que o desenvolvimento contínuo, juntamente com colaborações focadas na sustentabilidade com fabricantes de plástico, poderiam trazer esta química para os produtos de uso diário.
Outros cientistas da Rutgers envolvidos no estudo incluem Shaozhen Yin, pós-doutorado no laboratório de Gu e primeiro autor do artigo; Lu Wang, Professor Associado de Química e Biologia Química; Rui Zhang, pós-doutorado no laboratório de Wang; N. Sanjeeva Murthy, professor associado de pesquisa do Laboratório de Pesquisa de Biomateriais; e Ruihao Zhou, ex-aluno visitante de graduação.
