Yuwei Gu estava caminhando pelo Bear Mountain State Park em Nova Iorque quando um sight inesperado chamou sua atenção. Garrafas plásticas estavam espalhadas ao longo da trilha, com mais delas flutuando em um lago próximo. Ver resíduos plásticos em um ambiente tão natural parou o químico da Rutgers em seu caminho e fez sua mente acelerar.
Gu começou a pensar sobre polímeros, moléculas longas em forma de cadeia que compõem tanto materiais naturais quanto plásticos modernos. O DNA e o RNA são polímeros, assim como as proteínas e a celulose. A diferença é que os polímeros da natureza eventualmente se decompõem, enquanto os plásticos sintéticos muitas vezes permanecem no meio ambiente por 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 acumulação a longo prazo que vemos com plásticos sintéticos”, disse Gu, professor assistente do Departamento de Química e Biologia Química na Escola de Artes e Ciências da Rutgers.
Enquanto estava ali na floresta, a razão se tornou subitamente clara para ele.
“A diferença deve estar na química”, disse ele.
Copiando a Estratégia de Saída Embutida da Natureza
Gu percebeu que, se os polímeros naturais podem desempenhar sua função e depois desaparecer, os plásticos feitos pelo homem também poderiam fazer o mesmo. Ele já sabia que os polímeros biológicos contêm pequenas características químicas embutidas que ajudam suas ligações a se quebrarem no momento certo.
“Pensei, e se copiássemos esse truque estrutural?” disse ele. “Poderíamos fazer os plásticos feitos pelo homem se comportarem da mesma forma?”
Essa pergunta levou a um avanço. Em um estudo publicado na Nature Chemistry, Gu e seus colegas da Rutgers mostraram que, usando essa abordagem inspirada na natureza, os plásticos podem se decompor em condições cotidianas, sem a necessidade de alta temperatura ou produtos químicos agressivos.
“Queríamos enfrentar um dos maiores desafios dos plásticos modernos”, disse Gu. “Nosso objetivo era encontrar uma nova estratégia química que permitisse que os plásticos se degradassem naturalmente em condições cotidianas, sem a necessidade de tratamentos especiais.”
Como Funcionam os Polímeros e as Ligações Químicas
Os polímeros são feitos de muitas unidades repetitivas unidas, como contas em uma corrente. Os plásticos se enquadram nessa categoria, assim como DNA, RNA e proteínas. O DNA e o RNA consistem em cadeias de unidades menores conhecidas como nucleotídeos, enquanto as proteínas são construídas a partir de aminoácidos.
O que mantém essas unidades unidas são as ligações químicas, que agem como cola em nível molecular. Nos polímeros, essas ligações conectam um bloco de construção ao próximo. Ligações fortes conferem durabilidade aos plásticos, mas também tornam difícil a sua decomposição após o descarte. A pesquisa de Gu focou em projetar ligações que permanecem fortes durante o uso, mas se tornam mais fáceis de quebrar mais tarde, quando a degradação é desejada.
Plásticos Programáveis com Pontos Fracos Embutidos
Esta pesquisa faz mais do que tornar os plásticos degradáveis. Ela torna o seu desmembramento programável.
A descoberta chave envolveu arranjar cuidadosamente partes da estrutura química do plástico para que fiquem nas posições certas para começar a se desintegrar quando ativadas. Gu compara a ideia a dobrar um pedaço de papel para que ele se rasgue facilmente ao longo de uma prega. Ao “pré-dobrar” efetivamente a estrutura em nível molecular, o plástico pode se desintegrar milhares de vezes mais rápido do que o habitual.
Apesar dessa vulnerabilidade embutida, a composição química geral do plástico permanece inalterada. Isso significa que ele se mantém forte e útil até o momento em que a degradação é ativada.
“O mais importante é que descobrimos que o arranjo espacial exato desses grupos vizinhos muda drasticamente a rapidez com que o polímero se degrada”, disse Gu. “Controlando sua orientação e posicionamento, podemos projetar o mesmo plástico para se decompor em dias, meses ou até anos.”
Correspondendo Lifelikes do Plástico a Usos no Mundo Real
Esse nível de controle permite que os plásticos sejam projetados com vidas úteis que se ajustam ao seu propósito. Embalagens de alimentos podem precisar durar apenas um dia, enquanto componentes automotivos devem ser capazes de suportar por muitos anos. Os pesquisadores mostraram que a degradação pode ser incorporada desde o início ou ativada mais tarde usando luz ultravioleta ou íons metálicos.
As aplicações potenciais vão muito além da redução da poluição plástica. Gu afirmou que a mesma química poderia levar a cápsulas de liberação de medicamentos temporizada ou revestimentos que se apagam após um período determinado.
“Essa pesquisa não só abre a porta para plásticos mais ambientalmente responsáveis, mas também amplia as possibilidades para projetar materiais poliméricos inteligentes e responsivos em várias áreas”, disse ele.
Testes de Segurança e o Caminho à Frente
Para Gu, a visão a longo prazo é simples. Os plásticos devem cumprir seu papel e depois desaparecer.
“Nossa estratégia fornece uma maneira prática, baseada na química, de redesenhar esses materiais para que eles possam ainda desempenhar bem durante o uso, mas depois se decompor naturalmente”, afirmou ele.
Testes laboratoriais iniciais indicam que o líquido produzido quando os plásticos se degradam não é tóxico, embora Gu enfatize que mais testes são necessários para confirmar a segurança a longo prazo.
Ao olhar para trás, Gu disse que ficou surpreso que uma ideia surgida durante uma caminhada tranquila realmente funcionou.
“Foi um pensamento simples, copiar a estrutura da natureza para realizar o mesmo objetivo”, disse ele. “Mas ver isso ter sucesso foi incrível.”
Expandindo a Pesquisa
Gu e sua equipe estão agora avançando ainda mais na pesquisa. Eles estão examinando de perto se os pequenos fragmentos deixados após a decomposição do plástico representam algum risco para organismos vivos ou ecossistemas, garantindo segurança em todo o ciclo de vida do material.
Também estão explorando como sua abordagem química poderia ser aplicada a plásticos convencionais e integrada nos processos de fabricação existentes. Ao mesmo tempo, estão testando se o método pode ser usado para criar cápsulas que liberem medicamentos em momentos cuidadosamente controlados.
Embora desafios técnicos permaneçam, Gu acredita que o desenvolvimento contínuo, juntamente com a colaboração com fabricantes de plásticos focados na sustentabilidade, poderia levar essa química a produtos do cotidiano.
Outros cientistas da Rutgers que contribuíram para o estudo incluem: Shaozhen Yin, um estudante de doutorado no laboratório de Gu que é o autor principal do artigo; Lu Wang, professor associado do Departamento de Química e Biologia Química; Rui Zhang, um estudante de doutorado no laboratório de Wang; N. Sanjeeva Murthy, professor associado de pesquisa no Laboratório de Pesquisa em Biomateriais; e Ruihao Zhou, um ex-estudante de graduação visitante.