重磅Science：新型超分子塑料！

来源：高分子科学前沿

近日，由东京大学和日本理化学研究所(RIKEN)先进物质科学研究中心的相田卓三(Takuzo Aida)教授领导的研究团队，程逸人研修生，平野英司研修生和王豪研究生开发出一种新型超分子塑料，这种材料既耐用又环保，可在海水中降解。新型塑料不仅具有与传统塑料匹敌的强度，还具备可生物降解性，其最大特点是在海洋环境中能够分解。这一突破有望大幅减少海洋中有害微塑料的积累，保护生态环境，避免微塑料通过食物链进入人体。

传统塑料因不可持续性和对环境的危害而成为亟待解决的问题。虽然目前已有部分可回收或可生物降解塑料问世，但常见的可降解塑料如聚乳酸在海洋中难以降解，最终分解成小于5毫米的微塑料颗粒，威胁海洋生物和人类健康。

【关键突破：盐桥结构与可控降解】

“虽然传统上认为超分子塑料的可逆键会导致材料性能不稳定，但我们的新材料恰恰相反。”相田解释道。他们的新型塑料中的盐桥结构在正常情况下具有不可逆性，只有暴露于含电解质的海水中时才会解构。研究团队的关键发现在于，如何精确构建这种选择性不可逆的交联结构。

研究过程中，两种单体在水中混合后，形成了液体-液体相分离：一种是富含交联盐桥超分子聚合物网络的粘稠液体，另一种是包含被排除的反离子的溶液。例如，当六偏磷酸钠和烷基二胍盐酸盐混合时，液体-液体相分离瞬间发生。副产物硫酸根离子和钠离子被排除在水溶液中。而粘稠液体经过干燥后形成了最终的塑料——“SP”。

“脱盐”过程是制造成功的关键步骤。如果省略脱盐，所得材料为脆性晶体，无法实际使用。而当塑料重新接触盐水时，其交联结构迅速解构，数小时内便可被完全分解。这使得研究团队能够创造出一种既强韧耐用，又可在特定条件下分解的环保塑料。

图1.通过液液相分离（LLPS）脱盐实现的不可逆超分子聚合

图2.超分子聚合物的特性分析

【关键发现：超分子聚合物的流变学行为】

新型塑料具有与热固性塑料媲美的杨氏模量，并且可在120°C以上被重塑。并首次发现通过VFT和WLF方程共同验证，高物理交联密度的超分子聚合物也具有高分子类似的流变学行为。

图3.SPs的物理性质及弛行为

【回收与环保兼顾】

在回收实验中，研究团队将塑料溶解于盐水后，成功回收了91%的六偏磷酸钠和82%的胍盐单体，表现出极高的回收效率。

图4. SPs的可回收可降解特性及其向基于多糖的SPs（ChSPs）的应用扩展

“我们创造了一种全新的塑料家族，这种材料既强韧稳定，又可回收、多功能，最重要的是不会产生微塑料污染。”相田表示。

表1 SPs 和ChSPs特征性能数据。

本研究开发的交联超分子聚合物（SPs）是一种无色，透明，非易燃且机械强度高的高密度（~1.6 g/cm³）超分子塑料，其表现出与传统塑料类似的聚合物松弛行为。这种超分子聚合物通过液液相分离（LLPS）驱动的脱盐工艺从单体组分通过盐桥交连而成，并且可以通过重新加盐轻松回收，实现循环经济。

这些超分子聚合物，包括基于多糖的ChSPs，不会产生微塑料，因为它们在电解质作用下分解为单体组分，而这些单体可以在生物相关条件下被微生物代谢。此外，SPs、ChSPs及其单体总体上表现出低致突变潜力。

原文文献信息：

Yiren Cheng et al. ,Mechanically strong yet metabolizable supramolecular plastics by desalting upon phase separation.Science386,875-881(2024). （DOI:10.1126/science.ado1782）

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