或將塑料轉為小分子化合物，科學家實現聚苯乙烯的可控降解，降解產物分子量低于1000Da
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圖 | 劉朋（來源：劉朋）近日，他和合作者成功實現了聚苯乙烯的可控降解。研究中，他通過在聚合物鏈中插入機械響應基團來鎖住可降解性。
這一降解過程既不需要大量溶劑、也不需要大量能量消耗，有望讓可降解聚合物領域從基礎研究走向實際應用。
劉朋期望這一方法可以和現有的工業生產線相融合，進而生產出機械力可控降解的新型聚合物，并在現實生活中得到一定的應用。
以生活中常用的聚苯乙烯類的塑料泡沫為例，在其使用完畢后，可以將其通過回收、碾磨、水解轉化為其他有附加值的小分子化合物。
亦或者是在其廢棄進入自然界后可以在風力、摩擦力、潮汐力等自然力量的作用下，通過激活聚合物鏈中的機械響應基團，在微堿性的海水、動物、微生物的活動下，徹底將其降解為小分子的化合物，從而減小對環境的負面影響。
另據悉，本次實驗結果證實：最終的降解產物的分子量普遍低于 1000Da，因此并不需要擔心微塑料污染的問題。
（來源：Nature Chemistry）
為聚合物降解“安一把鎖”當前，塑料污染正在越來越嚴重地影響著人類生活，通過發展新方法或新材料，來解決和減輕塑料污染也變得日漸緊迫。
塑料之所以在自然界累積并且產生污染的一個很重要原因在于：我們平時使用的塑料制品大部分是全碳鏈的聚合物。
由于碳碳鍵的穩定性，全碳鏈的聚合物在自然環境中需要成百上千年才能自然降解。
雖然近年來越來越多的可降解、可循環聚合物見諸報端，但是大部分是通過在全碳鏈聚合物中間插入不穩定的化學基團從而實現聚合物的降解。
此類聚合物材料有一個弊端，即這些插入的不穩定的化學基團會持續的引發聚合物的降解，這大大縮短了塑料制品的使用壽命，并限制了這些材料的使用環境。
正是基于此背景下，劉朋設想是否可以開發一種新型可控降解的聚合物：只有在我們需要它降解的時候，才會觸發降解。
在我們不需要降解的時候，它依舊可以擁有與傳統材料一樣或者相似的性能。
這就像在聚合物鏈中加一把鎖，在產品的日常使用過程中，聚合物中可降解基團是被鎖住的。
當產品使用完并廢棄后，通過鑰匙打開這把鎖，激活可降解基團從而實現聚合物的降解，進而減少塑料污染。
與此同時，此類可控降解聚合物需要易于合成，最好可以兼容目前傳統塑料產業化的生產線，從而實現最大限度的研發應用轉化。
（來源：Nature Chemistry）
實現不同類型單體和環丁烯類單體的共聚研究伊始，劉朋首先考慮的問題就是單體的設計與合成。
他和同事當時設計了幾種不同類型的刺激響應單體。在考慮到單體的穩定性、合成的便利性、以及機械觸發的經濟與便捷性之后，他們最終選擇了環丁烯類單體。
通過商業試劑的一步[2+2]環化加成，可以輕易獲得此類單體。
為了最大限度地簡化本次方法，他們選擇了最簡單的，也是工業上應用比較廣泛的自由基聚合。
在這種聚合方法之下，該團隊實現了不同類型單體和環丁烯類單體的共聚，借此將機械響應基團成功引入傳統聚合物鏈之中。
通過對聚合物單體反應活性的測定、以及對共聚物進行表征分析，他們確定這種共聚物是無規共聚物，從而確保環丁烯單體能夠均勻地分布在聚合物主鏈上。
后續的材料性能表征數據顯示：含有機械響應基團的共聚物比如聚苯乙烯-共-環丁烯，相比傳統的苯乙烯具有非常相似的熱力學性能與機械力學性能。
明確環丁烯單體不會對共聚物性質產生太大影響之后，他們對共聚物進行了機械力激活。
具體來說，該團隊先在溶液條件之下，進行了超生波刺激共聚物。
在超生波的刺激之下，課題組在核磁譜圖上清楚地觀察到了環丁烷開環重排生成烯烴雙鍵的過程，從而證實了環丁烷的機械觸發、并釋放出可降解基團的可行性。
通過進一步的水解實驗，他們獲得了大量的小分子組分，讓共聚物的可控降解得以實現。
近年來，盡管有很多論文報道超聲波誘發的聚合物激活，但是這類方法需要在極度稀釋溶液的條件下進行，這就導致其應用范圍極為受限。
于是，他們測試了更加具有實用性的球磨法和低溫碾磨法，這兩種方法均顯示出更好的機械激活性和降解性，并且該兩種方法均不需要溶劑的參與。
最終，相關論文以《自由基合成聚合物的機械可控降解》（Mechanically triggered on-demand degradation of polymers synthesized by radical polymerizations）為題發在 Nature Chemistry[1]。
劉朋是第一作者兼共同通訊，瑞士 Adolphe Merkle 研究所尼科·布倫斯（Nico Bruns）教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Chemistry）
跨國、跨界的合作盡管論文發表在 Nature 大子刊，但是一路走來劉朋并不容易，期間曾遇到疫情對于實驗的影響、面對新知識的從零開始、換工作之時的研究銜接等難題。
好在瑞士 Adolphe Merkle 研究所的尼科·布倫斯（Nico Bruns）教授、克里斯托弗·韋德（Christoph Weder）教授、以及邁克爾·梅耶（Michael Mayer）教授在實驗時間以及經費上都給了他較大的支配空間。
“論文修稿期間的實驗是由瑞士團隊的一位博士后（Sètuhn Jimaja）接手，并出色地完成了這部分工作，他也是本次論文第二作者，非常感謝他的幫助。”劉朋說。
與此同時，劉朋等人也和化學計算模擬領域的專家開展合作，通過計算模擬進一步證實了本次設想和降解機理。
針對降解產物的分析，他們和德國 Waters GmbH 公司開展合作，利用 UPLC-QToF 分析確定了最終產物的分子量和結構式。
另據悉，本次方法對于聚苯乙烯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯，均表現出了很好的降解性。
然而，對于目前占市場份額最多的聚烯烴類材料比如聚乙烯、聚丙烯等并不是很適用。所以，劉朋等人打算將本次方法用于聚烯烴類材料上面。
相比乙烯基、丙烯酸類聚合物，聚烯烴類聚合物的合成要復雜得多，這是因為聚烯烴類材料的聚合單體普遍是氣體，對于合成條件要求比較苛刻，因此對于可以共聚的可降解基團的要求也比較高。
目前，劉朋已經設計并合成了一系列不同類型的新型單體。
初步實驗結果顯示：這些單體和烯烴類單體具備優秀的共聚性，最終的聚合物也表現出了優異的降解性，不過具體實驗還在進行中。
運營/排版：何晨龍
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