วัสดุซูปราโมเลกุล (Supramolecular materials) ที่สามารถย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์เมื่อแช่อยู่ในน้ำเค็ม อาจเป็นความหวังในการช่วยแก้ไขวิกฤตมลพิษจากไมโครพลาสติก
นักวิจัยกำลังพัฒนาวัสดุรูปแบบใหม่ที่มีคุณสมบัติคล้ายพลาสติก แต่สามารถสลายตัวได้เมื่อสัมผัสกับน้ำทะเล ซึ่งเทคโนโลยีนี้อาจช่วยลดปัญหาขยะพลาสติกและไมโครพลาสติกที่กำลังสร้างผลกระทบต่อระบบนิเวศทางทะเลได้อย่าง
ไมโครพลาสติกกำลังแพร่กระจายไปทั่วโล
ไมโครพลาสติก หรือเศษพลาสติกขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 5 มิลลิเมตร ปัจจุบันพบได้แทบทุกพื้นที่บนโลก ตั้งแต่บริเวณห่างไกลในมหาสมุทรลึกและเขตอาร์กติก ไปจนถึงอากาศที่เราหายใจ
นักวิทยาศาสตร์ยังพบไมโครพลาสติกเพิ่มขึ้นในร่างกายมนุษย์ รวมถึงใน เลือดและสมอง แม้ว่าผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์จะยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ แต่เป็นที่ทราบกันว่าสารปนเปื้อนเหล่านี้สามารถสร้างปัญหาให้กับระบบนิเวศทั้งบนบกและในทะเล เช่น ทำให้การเจริญเติบโตของสัตว์ช้าลง ส่งผลต่อระบบสืบพันธุ์ และอาจทำให้อวัยวะทำงานผิดปกติ
ทางออกจากน้ำทะเล
ประเทศญี่ปุ่น กำลังพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ที่สามารถย่อยสลายได้ในน้ำเค็ม เพื่อรับมือกับปัญหาไมโครพลาสติกในมหาสมุทร
ทาคุโซะ ไอดะ (Takuzo Aida) นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุและหัวหน้ากลุ่มวิจัย Emergent Soft Matter Function Research Group แห่ง RIKEN Center for Emergent Matter Science ในเมืองวาโกะ ประเทศญี่ปุ่น กล่าวว่า วัสดุชนิดใหม่นี้มีน้ำหนักและความแข็งแรงใกล้เคียงกับพลาสติกทั่วไป และอาจเปิดแนวทางใหม่ในการลดมลพิษจากพลาสติก รวมถึงช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากการเผาพลาสติก
นักวิทยาศาสตร์ยังพบไมโครพลาสติกเพิ่มขึ้นในร่างกายมนุษย์ รวมถึงใน เลือดและสมอง แม้ว่าผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์จะยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ แต่เป็นที่ทราบกันว่าสารปนเปื้อนเหล่านี้สามารถสร้างปัญหาให้กับระบบนิเวศทั้งบนบกและในทะเล เช่น ทำให้การเจริญเติบโตของสัตว์ช้าลง ส่งผลต่อระบบสืบพันธุ์ และอาจทำให้อวัยวะทำงานผิดปกติ
วัสดุชนิดใหม่นี้เป็นผลจากการวิจัยต่อเนื่องยาวนานกว่า 30 ปีของไอดะ ในด้าน พอลิเมอร์ซูปราโมเลกุล (supramolecular polymers)
พลาสติกทั่วไปเป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยโมเลกุลขนาดเล็กจำนวนมากเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวด้วย พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง ซึ่งต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการทำลายพันธะเหล่านี้
ในทางตรงกันข้าม พอลิเมอร์ซูปราโมเลกุลใช้พันธะที่อ่อนกว่าและสามารถย้อนกลับได้ ไอดาเปรียบเทียบว่ามันคล้ายกับ “โพสต์อิทที่สามารถแปะและลอกออกได้”
คุณสมบัตินี้ทำให้วัสดุสามารถ ซ่อมแซมตัวเองได้ เมื่อเกิดการแตกหัก เพียงนำชิ้นส่วนกลับมากดเข้าหากัน นอกจากนี้ยังรีไซเคิลได้ง่าย เพราะสามารถใช้ตัวทำละลายบางชนิดในการแยกพันธะระดับโมเลกุล ทำให้วัสดุสามารถนำกลับมาใช้ใหม่หรือเปลี่ยนไปใช้งานในรูปแบบอื่นได้
ปลดล็อกพันธะด้วยเกลือ
ไอดะกล่าวว่าเหตุผลที่พลาสติกได้รับความนิยมอย่างมากก็เพราะมีคุณสมบัติที่หลากหลาย โดยเฉพาะ PET (polyethylene terephthalate) ที่ใช้ผลิตขวดพลาสติก ซึ่งมีทั้งความยืดหยุ่น แข็งแรง ทนทาน และสามารถรีไซเคิลได้ ทำให้เป็นวัสดุที่ยากจะหาสิ่งอื่นมาแทนที่
ตัวอย่างเช่น PLA (polylactic acid) ซึ่งสามารถย่อยสลายได้ในดิน กลับถูกพบในมหาสมุทรในสภาพแทบไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากต้องใช้เวลานานเกินไปในการสลายตัวภายใต้สภาพแวดล้อมทั่วไป
เมื่อพลาสติกอย่าง PLA ไม่สามารถละลายน้ำได้ มันจึงค่อย ๆ แตกตัวเป็นไมโครพลาสติก ซึ่งแบคทีเรีย เชื้อรา และเอนไซม์ตามธรรมชาติไม่สามารถย่อยสลายได้ง่าย
ทีมวิจัยจึงพยายามค้นหาส่วนผสมที่สามารถสร้างวัสดุซูปราโมเลกุลซึ่ง แข็งแรงเพียงพอสำหรับการใช้งาน แต่สามารถสลายตัวได้อย่างรวดเร็วเมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสม และสุดท้ายเหลือเพียงสารประกอบและองค์ประกอบที่ไม่เป็นพิษ
ไอดะมีแนวคิดที่จะสร้างพันธะโมเลกุลที่ทำหน้าที่เหมือน “ล็อก” โดยจะสามารถปลดล็อกได้ด้วย “กุญแจ” เฉพาะชนิด นั่นคือ เกลือ
หลังจากทดลองคัดเลือกโมเลกุลหลายชนิด ทีมวิจัยพบว่าส่วนผสมของ โซเดียมเฮกซะเมตาฟอสเฟต (sodium hexametaphosphate) ซึ่งเป็นสารเติมแต่งอาหารที่ใช้กันทั่วไป กับโมโนเมอร์ที่มีพื้นฐานจาก ไอออนกัวนิดิเนียม (guanidinium ion) ซึ่งใช้ในปุ๋ยและสารปรับปรุงดิน สามารถสร้าง “สะพานเกลือ” (salt bridges) ที่เชื่อมโมเลกุลเข้าด้วยกันด้วยพันธะแบบโครงข่ายที่แข็งแรง
พันธะเหล่านี้ทำหน้าที่เป็น “ล็อก” ช่วยให้วัสดุมีทั้งความแข็งแรงและความยืดหยุ่น
“การคัดเลือกโมเลกุลก็เหมือนกับการหาเข็มในกองฟาง” ไอดากล่าว แต่ทีมของเขากลับพบส่วนผสมที่เหมาะสมได้ตั้งแต่ช่วงต้นของการทดลอง จนทำให้พวกเขาคิดว่า “นี่อาจใช้ได้จริง”
พลาสติกที่ละลายในน้ำทะเล
ในการทดลอง ทีมของไอดาสร้างแผ่นวัสดุซูปราโมเลกุลขนาดเล็กด้วยการนำสารประกอบต่าง ๆ มาผสมในน้ำ จากนั้นสารละลายจะแยกออกเป็น 2 ชั้นโดยธรรมชาติ โดยชั้นล่างมีลักษณะเหนียวข้น ส่วนชั้นบนเป็นน้ำ
ชั้นล่างประกอบด้วยสารต่าง ๆ ที่เชื่อมกันด้วย “สะพานเกลือ” ทีมวิจัยจึงนำชั้นนี้ออกมาและทำให้แห้ง จนได้เป็น แผ่นวัสดุที่มีลักษณะคล้ายพลาสติก
แผ่นวัสดุดังกล่าวมีความแข็งแรงใกล้เคียงกับพลาสติกทั่วไป อีกทั้งยัง ไม่ติดไฟ ไม่มีสี และโปร่งใส ทำให้สามารถนำไปใช้งานได้หลากหลาย
นอกจากนี้ นักวิจัยยังสามารถทำให้วัสดุกันน้ำได้ด้วยการเคลือบสารที่ไม่ชอบน้ำ แต่แม้จะผ่านการเคลือบกันน้ำแล้ว วัสดุก็ยังสามารถละลายได้ในเวลาใกล้เคียงกับแผ่นที่ไม่ได้เคลือบ เพียงแค่ ขีดหรือทำให้พื้นผิวเกิดรอย เพื่อเปิดทางให้น้ำเกลือสามารถซึมเข้าไปได้
เทคโนโลยีนี้จึงอาจเป็นอีกหนึ่งแนวทางสำคัญในการพัฒนาวัสดุที่ให้ความแข็งแรงและใช้งานได้ใกล้เคียงกับพลาสติกทั่วไป แต่เมื่อหลุดรอดลงสู่ทะเลแล้วสามารถสลายตัวได้ แทนที่จะสะสมและแตกตัวกลายเป็น ไมโครพลาสติก ในระยะยาว
tags :http://riken.jp
