Forschende haben einen vielseitig anwendbaren Kunststoff entwickelt, der sich in Salzwasser vollständig zersetzt – und so Mikroplastik effektiv vermeidet.
Kunststoffe sind seit langem ein Eckpfeiler moderner Bequemlichkeit, stellen aber gleichzeitig eine erhebliche Umweltbedrohung dar, insbesondere in Form von Mikroplastik. Dieses sammelt sich in den Ozeanen und im Boden an und beeinträchtigt sogar unsere Nahrungsketten. Ein neu entwickeltes Material eines Forschungsteams am RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) unter der Leitung von Takuzo Aida verspricht jedoch eine revolutionäre Lösung – eine neue Art von Kunststoff, der Festigkeit, Vielseitigkeit und Umweltverträglichkeit in sich vereint.
Das Problem mit herkömmlichen Kunststoffen
Herkömmliche Kunststoffe bestehen aus Polymeren, langen Ketten von Monomeren, die durch starke, stabile Bindungen zusammengehalten werden. Diese Struktur sorgt zwar für Langlebigkeit, erschwert aber auch die Zersetzung von Kunststoffen, was zu einer Anhäufung in der Umwelt führt. Selbst biologisch abbaubare Kunststoffe wie PLA (Polyactide) zersetzen sich in Meeresumgebungen aufgrund ihrer Wasserunlöslichkeit oft nicht effektiv. Infolgedessen werden Mikrokunststoffe – Kunststofffragmente, die kleiner als 5 Millimeter sind – freigesetzt, die den marinen Ökosystemen schaden und schließlich in die menschliche Nahrungskette gelangen.
Derzeitige verwendete biologisch abbaubare Kunststoffe seien wasserunlöslich, erklärte Aida.“Infolgedessen schädigen Mikrokunststoffe weiterhin das Leben im Wasser und gelangen schließlich in unseren eigenen Körper.”
Der neue Kunststoff: bahnbrechend und biologisch abbaubar
In seiner in der Fachzeitschrift “Science” veröffentlichten Forschungsarbeit stellt Aida eine neue Art von Kunststoff vor, den sogenannten “supramolekularen Kunststoff”. Dieses Material besteht aus Polymeren, die durch reversible vernetzte Salzbrücken zusammengehalten werden, sodass es unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei Kontakt mit Salzwasser, zerfallen kann. Der Kunststoff entsteht durch die Kombination von zwei ionischen Monomeren: Eines ist ein gängiger Lebensmittelzusatzstoff (Natriumhexametaphosphat) und das andere ist ein auf Guanidiniumionen basierendes Monomer. Beide Komponenten sind biologisch abbaubar und können von Bakterien verstoffwechselt werden.
“Während man bisher davon ausging, dass die reversible Natur der Bindungen in supramolekularen Kunststoffen diese schwach und instabil macht”, so Aida, “sind unsere neuen Materialien genau das Gegenteil.”
Der Schlüssel zum Erfolg des Materials liegt in seinem innovativen “Entsalzungsprozess”. Nach dem Mischen der Monomere in Wasser trennte das Team eine viskose Schicht, die die kritischen strukturellen Salzbrücken enthielt, von einer wässrigen Schicht, die die ausgeschiedenen Salze enthielt. Durch diesen Schritt wurde sichergestellt, dass das resultierende Material fest, flexibel und haltbar ist. Durch den Entsalzungsprozess bleibt der Kunststoff während des Gebrauchs stabil und funktionsfähig, löst sich jedoch schnell auf, wenn er Salzwasser ausgesetzt wird, und zerfällt innerhalb weniger Stunden in seine ursprünglichen Monomere.
“Mit diesem neuen Material haben wir eine neue Familie von Kunststoffen geschaffen, die fest, stabil und recycelbar sind, mehrere Funktionen erfüllen können und vor allem kein Mikroplastik erzeugen”, betonte Aida.
Anpassbare und vielseitige Eigenschaften
Was diesen neuen Kunststoff auszeichnet, ist seine Vielseitigkeit. Durch die Anpassung der verwendeten Arten von Guanidinium-Monomeren konnte das Team Variationen des Materials mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Härte und Zugfestigkeit herstellen. Das bedeutet, dass der Kunststoff auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden kann, von starren, kratzfesten Kunststoffen bis hin zu weichen, flexiblen.
Das Material ist außerdem ungiftig, nicht brennbar und recycelbar. Tests ergaben, dass 91 Prozent des Hexametaphosphats und 82 Prozent des Guanidiniums nach dem Auflösen des Kunststoffs zurückgewonnen werden konnten, wodurch er sowohl wiederverwendbar als auch umweltfreundlich ist.
“Alle diese Testkunststoffe waren in vielerlei Hinsicht mit herkömmlichen Kunststoffen vergleichbar”, stellte das Team in seinen Ergebnissen fest, “aber sie zerfielen innerhalb weniger Stunden in Monomere, wenn sie in Salzwasser getaucht wurden.”
Anwendungen und Umweltauswirkungen
Die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten für diesen neuen Kunststoff sind laut der Fachzeitschrift enorm. Er könnte herkömmliche Kunststoffe in Branchen wie der Verpackungsindustrie, dem 3D-Druck und der Medizintechnik ersetzen. Aufgrund seiner biologischen Abbaubarkeit eignet er sich besonders für Einwegartikel und Anwendungen im Zusammenhang mit dem Meer, wie z. B. Fischernetze und Bojen, bei denen Kunststoffabfälle häufig in die Meeresumwelt gelangen.
Wichtig ist, dass die Zersetzung des Kunststoffs nicht nur die Verschmutzung durch Mikroplastik verhindert, sondern auch den Boden mit Phosphor und Stickstoff anreichert und wie ein Dünger wirkt. In Tests wurde der Kunststoff innerhalb von zehn Tagen vollständig im Boden abgebaut.
“Sobald er sich aufgelöst hat, versorgt er den Boden mit Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff”, erklärte Aida. “Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Nutzung von Kunststoffen.”
Bewältigung globaler Umweltprobleme
Diese Entwicklung kommt zu einem kritischen Zeitpunkt, da die Welt mit den Folgen der Plastikverschmutzung zu kämpfen hat. Laut Aida steht das neue Material im Einklang mit den globalen Bemühungen, Umweltschäden zu reduzieren und gleichzeitig die Funktionalität und den Komfort von Kunststoffen zu erhalten. Mit der Entwicklung eines Kunststoffs, der fest, stabil, biologisch abbaubar und recycelbar ist, haben Aida und sein Team eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen geschaffen.
“Das neue Material ist stark genug, sodass verschiedene Anwendungen in Betracht kommen”, so Aida. “Wir hoffen, dass dies ein wichtiger Schritt sein kann, um herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen und die globale Plastikkrise zu mildern.”
Ein Schritt in Richtung Nachhaltigkeit
Der neue Kunststoff wird als bedeutender Schritt zur Lösung eines der dringendsten Umweltprobleme unserer Zeit gefeiert. Seine Fähigkeit, sich im Meerwasser zu zersetzen, und seine anpassbaren Eigenschaften machen ihn zu einer vielseitigen und umweltfreundlichen Alternative zu Kunststoffen auf Basis fossiler Brennstoffe. Mit dieser Innovation hat das Team von RIKEN den Grundstein für eine neue Ära nachhaltiger Materialien gelegt, bei denen sowohl die Leistung als auch die Umweltgesundheit im Vordergrund stehen.
Mit der schrittweisen Einführung dieser neuen Materialien in der Industrie besteht die Hoffnung, dass die Abhängigkeit von herkömmlichen Kunststoffen abnimmt und der Weg für einen saubereren und gesünderen Planeten geebnet wird.
“Unser oberstes Ziel ist es, Materialien zu entwickeln, die für Mensch und Umwelt gleichermaßen funktionieren – ohne die Bedürfnisse eines der beiden zu beeinträchtigen”, so Aida abschließend.