Gu Yuwei estava caminhando no Bear Mountain State Park, em Nova York, quando uma visão inesperada chamou sua atenção. Garrafas plásticas espalhavam-se pelo caminho e outras flutuavam em um lago próximo. Ver resíduos de plástico em um ambiente tão natural fez com que o químico da Universidade Rutgers parasse e sua mente disparasse.
Gu começou a pensar em polímeros, as longas cadeias de moléculas que constituem os materiais naturais e os plásticos modernos. DNA e RNA são polímeros, assim como proteínas e celulose. A diferença é que os polímeros naturais eventualmente se decompõem, enquanto os plásticos sintéticos permanecem frequentemente no ambiente durante décadas ou mais.
“A biologia usa polímeros em todos os lugares, como proteínas, DNA, RNA e celulose, mas a natureza nunca enfrentou o tipo de problemas de acumulação de longo prazo que vemos com os plásticos sintéticos”, disse Gu, professor assistente do Departamento de Química e Biologia Química da Faculdade de Artes e Ciências de Rutgers.
Parado na floresta, ele de repente entendeu o porquê.
“A diferença é a química”, disse ele.
Copie estratégias de saída naturais integradas
Gu percebeu que se os polímeros naturais pudessem fazer o seu trabalho e depois desaparecer, os plásticos produzidos pelo homem poderiam ser capazes de fazer o mesmo. Ele já sabia que os biopolímeros contêm pequenas características químicas incorporadas que ajudam a romper as suas ligações no momento certo.
“Pensei: e se replicássemos essa técnica estrutural?” ele disse. “Podemos fazer com que os plásticos artificiais se comportem da mesma maneira?”
Esta questão levou a um avanço. Num estudo publicado em química naturalGu e seus colegas da Universidade Rutgers mostraram que o uso deste método inspirado na natureza permite que os plásticos se decomponham nas condições cotidianas, sem a necessidade de altas temperaturas ou produtos químicos agressivos.
“Queremos resolver um dos maiores desafios enfrentados pelos plásticos modernos”, disse Gu. “Nosso objetivo é encontrar uma nova estratégia química que permita que os plásticos se degradem naturalmente nas condições cotidianas, sem a necessidade de tratamento especial”.
Como funcionam os polímeros e as ligações químicas
Os polímeros são compostos de muitas unidades repetidas ligadas entre si como contas em um cordão. Plásticos, DNA, RNA e proteínas se enquadram nesta categoria. O DNA e o RNA são compostos de cadeias de unidades menores chamadas nucleotídeos, enquanto as proteínas são compostas de aminoácidos.
O que mantém essas unidades unidas são as ligações químicas, que agem como cola em nível molecular. Nos polímeros, essas ligações conectam uma unidade estrutural à próxima. A forte ligação confere durabilidade ao plástico, mas também dificulta sua quebra após o descarte. A pesquisa de Gu se concentra no projeto de ligações que permaneçam fortes durante o uso, mas que tenham maior probabilidade de quebrar quando precisarem se degradar.
Plástico programável com pontos fracos integrados
Esta pesquisa faz mais do que apenas tornar os plásticos biodegradáveis. Isso torna suas falhas programáveis.
A principal descoberta envolve organizar cuidadosamente as várias partes da estrutura química do plástico para que fiquem na posição correta para começar a quebrar quando acionadas. Gu compara a ideia a dobrar um pedaço de papel para que ele possa rasgar facilmente nas dobras. Ao “pré-dobrar” efetivamente a estrutura em nível molecular, o plástico se decompõe milhares de vezes mais rápido que o normal.
Apesar desta fragilidade inerente, a composição química global do plástico permanece inalterada. Isto significa que permanece poderoso e útil até que a degradação seja ativada.
“Mais importante ainda, descobrimos que o arranjo espacial preciso desses grupos adjacentes altera drasticamente a taxa de degradação do polímero”, disse Gu. “Ao controlar a sua orientação e posição, podemos projetar os mesmos plásticos para se decomporem ao longo de dias, meses ou até anos.”
Combine a vida plástica com o uso prático
Este nível de controle permite que os plásticos sejam projetados para durar tanto tempo quanto pretendidos. As embalagens de alimentos podem durar apenas um dia, enquanto as peças dos automóveis devem durar muitos anos. Os pesquisadores mostraram que a degradação pode ser incorporada desde o início ou ativada posteriormente usando luz UV ou íons metálicos.
As aplicações potenciais vão muito além da redução da poluição plástica. A mesma reação química pode fazer com que cápsulas ou revestimentos de administração programada de medicamentos desapareçam por conta própria após um determinado período de tempo, disse Gu.
“Esta pesquisa não apenas abre as portas para plásticos mais verdes, mas também amplia a caixa de ferramentas para projetar materiais inteligentes e responsivos à base de polímeros em muitos campos”, disse ele.
Testes de segurança e o caminho a seguir
Para Gu, a visão de longo prazo é simples. O plástico deveria fazer o seu trabalho e depois desaparecer.
“Nossa estratégia fornece uma maneira prática e baseada na química de redesenhar esses materiais para que eles ainda tenham um bom desempenho durante o uso, mas depois se quebrem naturalmente”, disse ele.
Os primeiros testes laboratoriais indicam que o líquido produzido quando o plástico se decompõe não é tóxico, mas Gu sublinhou que são necessários mais testes para confirmar a segurança a longo prazo.
Olhando para trás, Gu disse que ficou surpreso ao ver que uma ideia que lhe ocorreu durante uma caminhada tranquila deu certo.
“É uma ideia simples, replicar estruturas naturais para atingir o mesmo objetivo”, disse ele. “Mas é incrível ver o sucesso.”
Expandir o escopo da pesquisa
Gu e sua equipe estão agora avançando ainda mais nesta pesquisa. Eles estão examinando cuidadosamente se os pequenos fragmentos deixados para trás após a decomposição do plástico representam algum risco para organismos ou ecossistemas para garantir que o material seja seguro durante todo o seu ciclo de vida.
Eles também estão explorando como sua química pode ser aplicada aos plásticos tradicionais e integrada aos processos de fabricação existentes. Ao mesmo tempo, estão testando se o método pode ser usado para criar cápsulas que liberam medicamentos em horários rigorosamente controlados.
Embora os desafios técnicos permaneçam, Gu acredita que o desenvolvimento contínuo e a colaboração com fabricantes de plásticos focados na sustentabilidade podem trazer o produto químico para produtos de uso diário.
Outros cientistas da Rutgers que contribuíram para o estudo incluem: Shaozhen Yin, estudante de doutorado no laboratório de Gu e primeiro autor do artigo; Wang Lu, professor associado do Departamento de Química e Biologia Química; Rui Zhang, estudante de doutorado no laboratório de Wang; N. Sanjeeva Murthy, professor associado pesquisador do Laboratório de Pesquisa de Biomateriais; e o ex-aluno visitante de graduação Ruihao Zhou.
