أمضى الكيميائيون القرن الماضي وهم يحاولون تصنيع مواد بلاستيكية تتحلل في مياه البحر. كما هو الحال ، يبدو أن معظم المواد البلاستيكية تستغرق قرونًا لتتحلل تمامًا في المحيط. هذا هو أحد الأسباب التي تجعل البلاستيك يشكل 80٪ من نفايات المحيطات. لكن هذا قد يتغير. صمم العلماء للتو مادة بلاستيكية جديدة يمكن أن تتحلل في مياه البحر في غضون أسابيع وليس عقودًا أو أكثر.
الشرح:ما هي البوليمرات؟
في الثلاثينيات من القرن الماضي ، ابتكر العلماء مادة بلاستيكية مشهورة الآن من نشا الذرة والبطاطس. يُعرف باسم عديد حمض اللبنيك ، أو جيش التحرير الشعبى الصينى. إنه بوليمر ، وهو جزيء مصنوع من خلال ربط العديد من لبنات البناء - تسمى المونومرات - في سلسلة طويلة. كان العلماء يأملون في أن ينهار جيش التحرير الشعبي بسرعة في البيئة. وفي بعض الأماكن ، مثل حفر السماد ، يحدث ذلك. لكن ليس في مياه البحر. حتى بعد ثلاث سنوات في مياه المحيط ، يظل جيش التحرير الشعبى الصينى دون تغيير إلى حد كبير.
Timo Rheinberger طالب دكتوراه في جامعة توينتي في هولندا. ركز عمله على البوليمرات على تعزيز انهيار جيش التحرير الشعبى الصينى. كجزء من هذا العمل ، أصبح جزءًا من فريق أضاف للتو بعض نقاط الانهيار المستوحاة من علم الأحياء إلى جيش التحرير الشعبى الصينى. لقد وضعوا نقاط الانكسار تلك في الأماكن التي ترتبط فيها المونومرات في جزيئات PLA.
لقد أضعفوا الروابط التي انضمت إلى ما يصل إلى 15 بالمائة من مونومرات جيش التحرير الشعبي. بعد ذلك ، قاموا بنقع عيناتهم في مياه البحر الاصطناعية وقاموا بقياس مدى سرعة تعطل هذه الإصدارات المعدلة من جيش التحرير الشعبى الصينى. كان المنتج النهائي المتوقع لانهيار PLA عبارة عن جزيء صغير يسمى حمض اللاكتيك. لذلك اختبروا ذلك أيضًا.
كما كان الفريق يأمل ، هاجمت مياه البحر الروابط الضعيفة بين المونومرات ، ممزقة سلسلة البوليمر. كلما زاد عدد نقاط الانهيار التي أضافها الباحثون إلى البوليمر ، زادت سرعة تفكك جيش التحرير الشعبى الصينى.
عندما أضعفوا 15 في المائة من روابط المونومر لجيش التحرير الشعبى الصينى ، تحطم البوليمر بالكامل خلال أسبوعين فقط. عندما أضعفوا 3 في المائة فقط من الروابط ، استغرق الانهيار حوالي عامين. يشير هذا إلى أن الفريق يمكنه تصميم مدى سرعة تفكك PLA في الماء عن طريق تعديل عدد الروابط الضعيفة التي لديه.
شارك الباحثون عملهم في 4 أكتوبر في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . يقول Rheinberger ، هذه "الورقة الأولى التي تبحث في تسريع انهيار PLA في مياه البحر على المستوى الجزيئي."
الاقتراض من علم الوراثة
فكر في جزيء PLA على أنه عقد من اللؤلؤ ، حيث تكون كل لؤلؤة مونومر. عادة ، تبقى تلك اللآلئ مرتبطة بقوة. هذا هو السبب في أن جيش التحرير الشعبى الصينى العادي يقاوم الانهيار. ولكن مع التفاعل الكيميائي الصحيح ، يمكن أن تنفصل هذه اللآلئ.
حاول كيميائيون آخرون تمزيق جيش التحرير الشعبى الصينى عن طريق استبدال بعض مونومرات جيش التحرير الشعبى الصينى بأنواع أخرى أضعف. حاول الكيميائيون أيضًا مزج PLA النقي مع مواد أخرى - مواد تفعل ذلك تتحلل في البيئة. وشملت الأمثلة الألياف النباتية مثل الكتان أو القنب.
في البداية ، بدا أن ذلك نجح. يقول Rheinberger:"الألياف تتحلل". "والهيكل يضعف وينهار." ويضيف أن جيش التحرير الشعبي نفسه لم يكن مهينًا. بقيت بوليمراتها سليمة.
وذلك عندما قررت مجموعته تغيير الروابط بين المونومرات. جاء مصدر إلهامهم لكيفية القيام بذلك من علم الوراثة.
تحتوي جميع الكائنات الحية على DNA و RNA. تساعد هذه الجزيئات معًا في تكوين الكائنات الحية وتشغيلها. يخزن الحمض النووي التعليمات. يستخدم RNA هذه التعليمات لصنع الأشياء. مثل PLA ، كلاهما من البوليمرات. لكنها مصنوعة من مونومرات مختلفة.
كدليل التعليمات النهائي ، صُنع الحمض النووي ليدوم. RNA ليس كذلك. يقول راينبرغر إن جزيئاته "لها عمر قصير". كل جزيء RNA مصنوع لوظيفة واحدة. عندما يتم ذلك ، يتفكك الحمض النووي الريبي ، مما يؤدي إلى تحرير مونومراته لإعادة استخدامها.
تحتوي هذه المونومرات على مجموعات من الأكسجين وذرات الهيدروجين - تسمى الهيدروكسيل - أكثر من تلك الموجودة في الدنا. هذا مهم. هذه الهيدروكسيل هي المكان الذي يبدأ فيه تكسير الحمض النووي الريبي. الهيدروكسيل يجذب الماء ، مما يسهل على جزيئات الماء مهاجمة جزيء الحمض النووي الريبي. المزيد من الهيدروكسيل يعني تحطيم أسرع.
الشرح:ما هو RNA؟
نسخ Rheinberger وفريقه هذا الجزء المحتوي على الهيدروكسيل من RNA واستخدموه لربط بعض مونومرات PLA.
هذا الجزء المحتوي على الهيدروكسيل من RNA ليس مونومر RNA كامل. يحتوي كل مونومر RNA على "حلقة سكر" خماسية الجوانب ومجموعة من الذرات تسمى "الفوسفات". للحصول على القطعة المحتوية على الهيدروكسيل ، "نأخذ فقط الفوسفات وثلاث روابط من حلقة السكر ،" كما يقول راينبرجر. تحصل نقاط الانهيار على اسمها من هذا الفوسفات. يطلق عليهم الفوسفو روابط استر (Foss-foh-ES-tur).
ماذا بعد ذلك؟
مهليكا كارامانلي أوغلو تدرس الهندسة الطبية الحيوية في جامعة اسطنبول جيليسيم. إنها في تركيا ، إلى الشرق من إيطاليا وبلغاريا. لقد درست أيضًا الانهيار البيئي لجيش التحرير الشعبى الصينى. تقول عن الأسلوب الهولندي:"إنه نهج جديد". يقول كارامانلي أوغلو إن دراستهم هي أيضًا "دراسة أولية". لذلك يجب اتباع المزيد من الاختبارات. يريد العلماء معرفة مدى قوة جيش التحرير الشعبى الصينى الجديد مقارنة بجيش التحرير الشعبى القديم.
يوافقه راينبرغر. ويضيف:"أنت بحاجة إلى الكثير من المواد لبدء تلك الدراسات". وحتى الآن ، قام فريقه بإنتاج كميات صغيرة فقط من جيش التحرير الشعبى الصينى المعدل.
يشير Karamanlioglu إلى أن الفريق الهولندي اختبر أيضًا انهيار PLA في مياه البحر الاصطناعية. وتضيف:"أتساءل عما إذا كانوا فحصوا [الماء] بحثًا عن التلوث". إذا كانت ملوثة بالميكروبات ، فربما تكون هذه الميكروبات قد أنتجت جزيئات تسمى الإنزيمات التي تسرع تحلل PLA.
قد تُصنع الأكواب وأدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة في يوم من الأيام من PLA الجديد. من الناحية النظرية ، يمكن لهذا البلاستيك الجديد أن يحل محل أي PLA قديم ، بما في ذلك النوع المستخدم في العديد من الطابعات ثلاثية الأبعاد. وربما يمكن للعلماء إضافة نقاط تكسير مستوحاة من الحمض النووي الريبي إلى بوليمرات بلاستيكية أخرى أيضًا.
يقول كارامانلي أوغلو إن مكانًا آخر قد يثبت فيه جيش التحرير الشعبي الجديد فائدته هو الطب الحيوي. يستخدم PLA بالفعل في صنع الخيط المستخدم في خياطة الجروح. يجب الخيوط الجراحية والغرسات الطبية التحلل المائي ، مما يعني الذوبان. "في بعض الأحيان لا تريد أن تتحلل الغرسة بهذه السرعة ،" تلاحظ. وتقول إنه ربما يمكن أن توفر نقاط الانهيار المستوحاة من الحمض النووي الريبي أداة جديدة لتحديد مدى سرعة تفكك هذه الغرسات الطبية.
هذه واحدة من سلسلة تقدم أخبارًا عن التكنولوجيا والابتكار ، والتي أصبحت ممكنة بفضل الدعم السخي من مؤسسة Lemelson.
