Volledig herbruikbaar plastic op basis van natuurlijk molecuul

Plastic is een van de meest succesvolle materialen van deze tijd. Maar het zorgt ook voor een enorm afvalprobleem. Groningse en Chinese wetenschappers van het Feringa Nobel Prize Scientist Joint Research Center hebben van het natuurlijke molecuul liponzuur plastics gemaakt die onder milde condities gemakkelijk te recyclen zijn.

Een probleem bij hergebruik van plastics is dat het meestal een product van lagere kwaliteit oplevert. Chemische recycling, het afbreken van polymeren in de bouwstenen (monomeren), levert de beste resultaten op. Maar dit depolymeriseren is lastig.

Terugwinnen

Binnen het Feringa Nobel Prize Scientist Joint Research Center hebben wetenschappers op basis van liponzuur een polymeer ontwikkeld dat onder milde omstandigheden kan worden geproduceerd en ook weer afgebroken. Het is mogelijk tot wel 87 procent van de liponzuur-moleculen terug te winnen in pure vorm. Die zijn dan weer te gebruiken bij het maken van nieuwe polymeren van hoge kwaliteit. Dit proces is beschreven in een artikel dat op 4 februari is gepubliceerd in het tijdschrift Matter.

Het research center is een gezamenlijk project van de RUG en de East China University of Science and Technology (ECUST) in Shanghai, geleid door de Groningse Nobelprijswinnaar voor chemie Ben Feringa en de hoogleraren Da-Hui Qa en He Tian.

Perfecte bouwsteen

‘We hebben een manier gevonden om op een zeer gecontroleerde manier polymeren te maken van het natuurlijke molecuul liponzuur’, legt hoogleraar Organische Chemie Feringa uit. ‘Het is een prachtig molecuul, een perfecte bouwsteen die de natuur voor ons heeft gemaakt.’ Het molecuul heeft een ringstructuur waarin twee zwavelatomen aan elkaar gekoppeld zijn. Na verbreking van die koppeling kunnen de zwavelatomen reageren met andere monomeren. ‘Dit proces was al bekend, maar wij ontdekten een manier om het gecontroleerd te laten verlopen zodat we lange polymeren kunnen maken.’

Zacht, elastisch materiaal

Aan het molecuul zit ook een carboxygroep, die gemakkelijk reageert met metaalionen. Die kunnen de polymeren crosslinken, waardoor een zacht, elastisch materiaal ontstaat. Door het indampen van een oplossing van het molecuul in water met natriumhydroxide ontstaat juist een stevige film via ionenverbindingen. De polymerisatie is in beide gevallen een omkeerbaar proces, wat het materiaal ook nog eens zelf-herstellend maakt, legt Feringa uit. ‘Wanneer je er een snee in maakt, kun je die herstellen door beide randen tegen elkaar te drukken. Binnen een paar minuten zitten die dan weer vast.’

Reversibele polymerisatie

Het meeste werk in het Matter-artikel is gedaan door Qi Zhang, eerst als promovendus bij ECUST in Shanghai, later als postdoc aan de RUG. ‘Liponzuur is een klein, natuurlijk molecuul met een elegante structuur’, vertelt Zhang. ‘We hoefden geen aanpassingen van de monomeer te ontwerpen voor de reversibele polymerisatie.’ De polymeren eenvoudigweg blootstellen aan natriumhydroxide en je lost ze op in monomeren. ‘Door een beetje zuur toe te voegen slaan de monomeren neer en kun je ze verzamelen. De kwaliteit van die gerecyclede monomeren is identiek aan die van het originele materiaal.’

Recyclen zonder kwaliteitsverlies

‘Onze experimenten laten zien wat er mogelijk is met deze monomeren’, vult Feringa aan. ‘We kunnen het materiaal een aantal keren recyclen zonder kwaliteitsverlies.’ Toch is een echte industriële toepassing nog ver weg. Feringa: ‘Dit is een eerste bewijs dat het werkt. We zijn nu bezig met experimenten om nieuwe polymeren met andere functionaliteiten te maken en om het proces van polymeriseren en depolymeriseren beter te leren begrijpen.’ En hoewel het al mogelijk is 87 procent van de monomeren terug te winnen willen de onderzoekers de 100 procent zo dicht mogelijk benaderen. ‘Onze experimenten laten zien dat we harde en zachte, elastische polymeren kunnen maken op een gecontroleerde manier en dat we zo ook weer kunnen depolymeriseren’, vat Feringa samen. ‘Dat maakt dit molecuul zo veelbelovend.’

Nadere informatie

• Het werk dat in het Matter-artikel staat beschreven, is uitgevoerd aan het Feringa Nobel Prize Scientist Joint Research Center, een samenwerkingsverband van de School of Chemistry and Molecular Engineering van ECUST in Shanghai en de RUG. Feringa werd in november 2016 benoemd tot bijzonder hoogleraar bij ECUST en het Feringa Nobel Prize Scientist Joint Research Center opende haar deuren in oktober 2017.
• Referentie: Qi Zhang, Yuanxin Deng, Chen-Yu Shi, Ben L. Feringa, He Tian and Da-Hui Qu: Dual closed-loop chemical recycling of synthetic polymers by intrinsically reconfigurable poly(disulfides) Matter 4 February 2021. https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.01.014
• Contact: prof.dr B.L. (Ben) Feringa, b.l.feringa@rug.nl of Qi Zhang PhD, qi.zhang@rug.nl