【人物与科研】一种可在阳光和空气中完全降解的高分子材料——香港科技大学唐本忠院士和华中科大罗亮教授团队JACS
导语
废弃塑料造成的环境污染对脆弱的地球生态已造成了严重威胁。近年来，人类社会一方面投入了大量人力物力开展不可降解塑料污染物的回收和分类处理，各地纷纷出台各类“史上最强禁塑令”以缓解废弃塑料对环境的压力。另一方面，科研人员长期致力于发展降解回收现有塑料的新方法，并开发新型可降解聚合物以替代传统塑料。然而，塑料污染物的回收和分类处理代价高昂、进展缓慢；而现有生物可降解聚合物种类有限，且其降解过程对微生物、酶、pH值和温湿度等条件有较高要求，极大的限制了这类材料在自然环境中的降解。因而，充分利用自然界中的现有条件，如阳光、空气、水等广泛存在的自然条件实现聚合物的完全自降解且不产生有害产物，是实现真正自然环境可降解的免回收无污染塑料的追求方向。
针对上述问题，香港科技大学唐本忠院士（现任香港中文大学（深圳）理工学院院长）团队与华中科技大学罗亮教授团队合作，开发出了一种在自然环境中利用阳光和空气即可完全降解的共轭高分子PDDA。研究成果发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society），题为“Complete Degradation of a Conjugated Polymer into Green Upcycling Products by Sunlight in Air”（DOI: 10.1021/jacs.1c04611）。
唐本忠院士简介
唐本忠，中国科学院院士，（英国）皇家化学会会士，香港科技大学张鉴泉理学教授、化学系与生物医学工程系讲座教授，现为香港中文大学（深圳）理工学院院长，广州华南理工大学教授，深圳大学AIE研究中心名誉主任；现为科技部973计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人，以及期刊Aggregate创始主编。唐本忠教授累计发表学术论文1000余篇，论文被引用近80000余次，H指数为131，并于2014-2017年连续入选化学和材料双领域高被引科学家；先后获得多项荣誉及奖励，包括国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖、何梁何利基金科学与技术进步奖。2016年，AIE纳米粒子被Nature列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料之一，并是唯一一种由中国科学家原创的新材料；同年，美国CNBC电视台以“Year of Cancer”的主题，实况专访唐院士，向全球直播介绍AIE荧光探针在识别癌症细胞等领域的应用；2018年初，以第一项目完成人身份凭“聚集诱导发光”项目获得2017年度国家自然科学一等奖。
罗亮教授简介
罗亮，男，41岁，博士，华中科技大学国家纳米药物工程技术中心教授，博士生导师，华中学者；入选国家青年高层次人才计划；自2018年来，以通讯作者在Journal of the American Chemical Society、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等期刊已发表近30篇高水平论文，获批中国发明专利10余项；曾任美国康涅狄格州美中医药开发协会会长，回国后作为课题负责人承担国家重点研发计划“纳米专项”、国家自然科学基金面上项目等，先后入选国务院侨务办公室重点华人华侨创业团队、武汉市光谷3551创新人才计划等，并担任中国抗癌协会纳米肿瘤学青年专业委员会副主任委员、中国化学会分子聚集发光专业委员会委员、中国生物物理学会材料生物学与智能诊疗技术分会副秘书长。
前沿科研成果
可在阳光和空气中完全降解的高分子材料
研究者们通过主客体共晶拓扑聚合方法合成了具有双键/三键交替共轭结构的聚丁二炔类共轭高分子PDDA。这种高分子材料在使用完进入自然环境后，能够在阳光和空气的共同作用下在一周内完全降解（图1）。此外，PDDA在乏氧和避光条件下非常稳定，因而可以确保PDDA在作为功能材料应用中的稳定性。
图1.（A）拓扑聚合法合成PDDA分子及其聚合物薄膜照片。（B）阳光与空气存在的条件下PDDA聚合物薄膜在淡水和海水中降解的宏观照片。（C）降解过程中PDDA的凝胶电泳条带变化。（D）凝胶电泳结果的定量分析。
（来源：JACS）
图2. PDDA薄膜在避光条件（A）或氮气保护下（B）具有良好的稳定性。
（来源：JACS）
（来源：JACS）
研究者还对PDDA聚合物的降解机理进行了详细研究，通过13C同位素对PDDA分子的主链进行标记并对降解产物进行分析，成功捕捉到降解产物中间体酮戊二酸的质谱信号，验证了PDDA降解过程是基于主链共轭双键/三键的光氧化机理，而降解产物丁二酸中的一个羧基正是来源于主链光氧化（图4）。
图4.（A）同位素标记PDDA的降解机理反应式。（B）同位素标记降解产物及中间产物的质谱分析。（C）核磁共振氢谱对PDDA降解过程对光照和空气的依赖性分析。
（来源：JACS）
结论：
本研究中开发的共轭高分子PDDA是一种无需回收、自然环境即可完全降解用降解产物绿色无害的新型功能塑料。共轭高分子是一类含有共轭不饱和主链结构的高分子，是塑料电子学的支撑材料。许多共轭高分子具有优异的光电性质，并在柔性电子材料、智能装备和可穿戴设备等新兴领域中获得了广泛的应用。但现有共轭高分子的相关研究仍然集中于对材料高性能的追求，而针对其降解难题的研究工作却大幅滞后。随着共轭高分子材料的使用与日俱增，解决此类材料的降解和回收问题，减少对自然环境造成的污染已经刻不容缓。本工作通过对PDDA降解机理的研究，为自然环境可降解共轭高分子的设计与免回收降解策略树立了开拓性的范例，为解决导电塑料降解难题提供了新的思路。
上述研究成果近期在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）在线发表（DOI: 10.1021/jacs.1c04611）。华中科技大学博士后田斯丹和博士生乐强为论文共同第一作者，唐本忠院士和华中科技大学罗亮教授为论文共同通讯作者。
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关于人物与科研
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