革命性的超级聚合物:难以置信的坚韧和无限回收

诸平

Fig. 1 Scientists have invented tough, chemically recyclable polymers that maintain high performance under stress but can be precisely broken down and reused with no loss in quality. Their method uses a metal catalyst to trigger decomposition, potentially revolutionizing plastic recycling.

Fig. 2 New robust polymers that are chemically recyclable. Introducing a directing group enables catalytic cleavage of strong chemical bonds, allowing controlled degradation of robust polymers into monomers. Credit: Mamoru Tobisu, Osaka University

塑料应用涉及面很广，带来了白色革命的同时也带来了严重的污染问题。之前就“微塑料（Microplastics）”曾经写过几篇博文：如微塑料研究（医学与健康）高引论文（≥200次）、微塑料成为病原体和抗药性细菌的“中心”、科学家首次在血液中发现微塑料、蛋清可以转化为一种过滤海水中微塑料的材料、牛胃中的微生物可以帮助降解回收塑料、体内的微纳塑料是在细胞分裂过程中传递的、首次从植物叶子上的水中发现了微塑料、纳米塑料如何影响新陈代谢、微塑料是如何潜入你的大脑的？等......今天再来介绍日本大阪大学（Osaka University）2024年10月7日提供的消息，革命性的超级聚合物具有难以置信的坚韧和可无限回收特性（Revolutionary Super Polymer: Unbelievably Tough and Endlessly Recyclable）。

大阪大学的研究人员已经开发出一种新型聚合物，它将苛刻应用所需的韧性与容易回收的能力结合在一起，成为全新的材料。这种聚合物使用一种独特的定向基团（directing group），在特定条件下起作用，可以承受恶劣的环境，但在镍催化剂的存在下毫不费力地分解。这一创新可以使塑料无限回收，而不会降低其质量，有望显著减少塑料污染。

塑料回收革命(Revolutionizing Plastic Recycling)

塑料是现代生活的基础，在医药、技术和食品安全等领域至关重要，其有益特性是不可替代的。然而，正是塑料的耐用性使它们变得有价值，也使它们成为有问题的污染物，难以回收。解决这一关键问题的关键在于开发更容易回收的塑料。2024年10月7日发表在英国《化学科学》（Chemical Science）杂志上的一项研究中，大阪大学的研究人员发现了一种制造坚韧、高性能聚合物的方法，这种聚合物是塑料的主要成分，可以轻松、精确地分解成它们的组成部分，并回收成像新的材料。原文详见：Satoshi Ogawa(小川敏史), Hiroki Morita, Yu-I. Hsu(徐于懿), Hiroshi Uyama(宇山浩), Mamoru Tobisu(鳶巣守). Controlled Degradation of Chemically Stable Poly(aryl ethers) via Directing Group-Assisted Catalysis. Chemical Science, 2024, DOI: 10.1039/d4sc04147j. Published online: 7 October 2024. https://doi.org/10.1039/d4sc04147j.

增强和回收聚合物（Strengthening and Recycling Polymers）

塑料的主要成分是被称为聚合物的分子，它是由被称为单体的小重复单元组成的长链。目前的物理回收只是重复使用聚合物而不分解它们，回收的塑料通常比原来的塑料更糟糕。化学回收是一种较新的方法，它将聚合物链分解成单体单元，然后将这些单元串联在一起。回收的塑料和新的一样好。然而，设计用于化学回收的聚合物分子链通常是弱的，因为它们的单体单元之间有弱链接，因此聚合物的分子链很容易断裂。

研究人员已经开发出一种方法，在不影响耐热性和耐化学性的情况下，制造出坚韧的、化学上可回收的聚合物。这一突破将极大地扩展化学可回收聚合物的用途。

聚合物技术的新时代（A New Era in Polymer Technology）

上述论文的第一作者小川敏史说：“我们知道我们需要使单体之间的连接在恶劣环境中非常牢固，但在特定的回收条件下很容易断裂。我们惊讶地发现，没有人尝试过加入一个定向基团（directing group），因为只有在金属催化剂存在的情况下，导向基团才会破坏强链。”

定向基团就像分子链接上的锁，只有在出现正确的密钥时才打开链接。这种聚合物经得起高温和严酷的化学物质的考验，但当涉及到回收利用时，镍催化剂就像一把钥匙，定向基团很容易打开链接，释放出单体。原来的聚合物也可以再由单体重新组装而成。

迈向可持续塑料解决方案（Toward Sustainable Plastic Solutions）

上述研究论文的通讯作者鸢巣守教授(Prof. Tobisu Mamoru)解释说:“制造出如此坚韧的聚合物是一个巨大的进步，它可以很容易地精确分解，并在这么少的步骤中回收成原始材料。这种革命性的设计可以用于制造高性能聚合物，这种聚合物可以无限期地回收而不损失质量。”

该团队的工作表明，性能和可回收性之间并不需要权衡。他们的设计可以用于许多其他聚合物，使许多类型的塑料在化学上可回收，可能有助于将塑料污染扔进历史的垃圾桶。

这项工作得到了日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI基金（JSPS KAKENHI grants JP21H04682, JP24H02207)、日本学术振兴会青年科学家研究奖学金{JSPS Research Fellowship for Young Scientists (24KJ1574)}和日本科学技术机构{Japan Science and Technology Agency CREST JPMJCR22L6, JST SPRING (JPMJSP2138)}的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Plastic-Eating Bacteria Discovered in Urban Waterways

Abstract

To establish a sustainable society, the development of polymer materials capable of reverting into monomers on demand is crucial. Traditional methods rely on breaking labile bonds such as esters in the main chain, which limits applicability to polymers that consist of robust covalent bonds. We found that the integration of directing groups allowed the engineering of resilient polymers with built-in recyclability. Our study showcases phenylene ether-based polymers fortified with directing groups, which can be selectively disassembled under nickel catalysts via selective cleavage of carbon–oxygen bonds. Notably, these polymers exhibit exceptional chemical stability towards acids, bases, and oxidizing agents, while being degradable to well-defined, repolymerizable molecules in the presence of a catalyst. Our findings allow for the development of next-generation polymer materials that are chemically recyclable by design.