Un team multidisciplinare del Berkeley Lab lavora da diversi anni per sviluppare una plastica rivoluzionaria che, a differenza delle plastiche tradizionali, può essere riciclato a tempo indeterminato e non è costituito da petrolio. La loro ultima pietra miliare è stata la pubblicazione di un'analisi che mostra la fattibilità e i potenziali risultati del lancio del materiale unico, chiamato poli(dichetoenamina) o PDK, nel mercato su scala industriale.

Il team ha scoperto che realizzare prodotti con PDK riciclato potrebbe diventare rapidamente economico quanto realizzare lo stesso articolo con nuovi polimeri di plastica (una percentuale molto piccola delle nostre attuali materie plastiche viene riciclata, quindi la maggior parte dei prodotti sono realizzati in resina plastica "vergine"), riducendo anche la CO ₂ emissioni e fabbisogno energetico della produzione. Per di più, gli scienziati hanno in programma di sviluppare un processo per creare la resina PDK iniziale utilizzando materiale vegetale fermentato con microbi, il che significa che l'intero ciclo di vita di un prodotto in plastica PDK potrebbe essere a basse emissioni di carbonio o addirittura a emissioni zero.

Una volta sviluppata l'infrastruttura per la produzione e il riciclaggio di PDK su larga scala, gli scienziati prevedono che il PDK potrebbe sostituire la plastica tradizionale in una varietà di prodotti di consumo, dalle parti di automobili alle bottiglie d'acqua.

Abbiamo parlato con due capi progetto, Brett Helms e Corinne Scown, sull'ispirazione per PDK, carenze nei nostri attuali sistemi di riciclaggio, e come questo ambizioso progetto sia reso possibile da una combinazione diversificata di competenze scientifiche.

Brett Helms è un chimico e scienziato di fabbricazione che lavora alla fonderia molecolare del Berkeley Lab, una struttura per gli utenti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Helms ha guidato il gruppo che ha inventato il PDK più di tre anni fa, nell'ambito di un progetto del programma Laboratory Directed Research and Development (LDRD) incentrato sulla creazione di un'alternativa plastica altamente funzionale.

Corinne Scown è una scienziata nell'area delle tecnologie energetiche del Berkeley Lab, e vicepresidente per il ciclo di vita, Economia, e Divisione Agronomia presso il Joint BioEnergy Institute (JBEI) - un centro di ricerca sulla bioenergia del DOE. storto, un esperto nel campo dell'analisi tecnoeconomica, guida la progettazione e lo sviluppo di processi per la produzione e il riciclaggio di PDK su scala industriale. Modellando come questi sistemi funzionerebbero su larga scala, il suo lavoro identifica potenziali colli di bottiglia e prevede sia i costi che l'impatto ambientale, aiutando così gli scienziati dei materiali a selezionare le tecnologie più efficienti e sostenibili fin dalle prime fasi.

Gli altri leader del progetto sono Jay Keasling, il CEO di JBEI; e Kristin Persson, Direttore della Fonderia Molecolare.

Q. Brett, da dove viene l'idea o l'ispirazione per PDK?

Brett:Il modo in cui l'industria pratica il riciclaggio dei polimeri sta cambiando. Attualmente, l'approccio si basa sul riciclaggio meccanico dove, dopo la cernita e la macinazione, i rifiuti polimerici vengono fusi in un materiale omogeneizzato le cui caratteristiche sono degradate lungo il percorso. Nel futuro, il riciclo chimico dovrebbe svolgere un ruolo più importante, in quanto privilegia il recupero di materiali di alto valore che possono essere riutilizzati nella produzione. Però, con l'attuale tecnologia di riciclaggio chimico, pochissimi polimeri possono essere riciclati in modo efficiente, se misuriamo l'efficienza in base all'energia richiesta, la quantità di CO ₂ emesso, o la quantità di materiale incontaminato che recuperiamo per la produzione di resina secondaria. Eravamo consapevoli di queste sfide e affrontavamo il problema da quella prospettiva. Abbiamo cercato di progettare i PDK come polimeri di nuova generazione che richiedono solo piccole quantità di energia per essere riciclati chimicamente ai loro monomeri originali con rese elevate, in modo tale che il carbonio nei PDK possa essere rimesso in circolo attraverso cicli illimitati di rifacimento e riutilizzo.

D. Corinna, cosa ti ha portato a questo lavoro?

Corinne:Da anni lavoro sull'analisi tecnoeconomica e sulla valutazione del ciclo di vita dei biocarburanti e, credici o no, la plastica non è un grande passo avanti. È da un po' di tempo che stiamo esplorando prodotti a base biologica, e i biopolimeri erano già interessanti per noi perché sappiamo che è fondamentale trovare alternative rinnovabili per tutti i diversi prodotti che realizziamo dal tipico barile di petrolio, non solo combustibili. Brett e Jay mi hanno coinvolto quando stavano scrivendo la proposta per questo particolare progetto e sono rimasto sbalordito dalla chiarezza della visione e dalla rapidità con cui tutto si è riunito. L'idea di un polimero che può essere riciclato in monomeri di qualità vergine con un input energetico minimo risolve molti problemi altrimenti intrattabili con i rifiuti di plastica.

Q. Brett, come ti sei avvicinato alla scienza dei materiali? C'è sempre stato l'obiettivo di creare materiali rispettosi dell'ambiente, o sei partito con un altro obiettivo?

Brett:Ho svolto una ricerca universitaria con Shenda Baker all'Harvey Mudd College, dove stavamo studiando la fisica dei polimeri alle interfacce. Ad un certo punto, Mi sono reso conto che se volevo studiare polimeri interessanti, Potrei aver bisogno di imparare a farli da solo. Shenda mi ha presentato Craig Hawker, e ho passato del tempo a imparare la sintesi dei polimeri da lui e da Eva Harth all'IBM Almaden Research Center. Sentendomi più sicuro delle mie capacità di sintesi, Poi mi sono interessato a imparare come progettare la funzione nei polimeri. Questo è ciò che mi ha portato all'Università di Berkeley, dove ho svolto il mio dottorato di ricerca. con Jean Frechet, il cui gruppo era ben noto per la sua creatività nei polimeri funzionali. ho anche imparato, nel mio postdoc con Bert Meijer, presso la Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi, come le interazioni tra polimeri e altri materiali siano centrali per la loro funzione.

Lavorare in un National Lab mi ha davvero aperto gli occhi sull'ampiezza in cui i materiali fanno la differenza nelle nostre vite, e sempre più nella sostenibilità delle nostre scelte di vita. Lo spero, nel nostro lavoro con il ripensamento della chimica dei polimeri per l'economia circolare, offriamo soluzioni creative da cui tutti possono entusiasmarsi e da cui imparare, e che le persone potrebbero essere motivate a lavorare con noi per portare quelle soluzioni al mondo, in linea con la nostra missione qui a Berkeley Lab.

D. Corinna, il termine "analisi tecnoeconomica" è probabilmente nuovo per molte persone. Come spieghi cosa fai quando un non scienziato chiede?

Corinne:Analisi tecnoeconomica, o TEA in breve, è uno di quei termini che non venivano usati molto un decennio fa ed è molto più comune ora. A livello di base, TEA prevede la progettazione ingegneristica e l'analisi del flusso di cassa. La progettazione ingegneristica e la simulazione sono solitamente la parte difficile. Stai prendendo un bel risultato che qualcuno ha ottenuto in laboratorio e stai cercando di capire come sarebbe una struttura su scala commerciale, compreso tutto, dal recupero dei solventi alla generazione di calore ed energia fino alla gestione dei rifiuti. Questo di solito implica pensare a cose che gli scienziati non hanno considerato e può sollevare domande interessanti. Per esempio, TEA ha mostrato che uno dei reagenti nella chimica basata sulla scoperta per la sintesi del PDK—N vergine, N'-dicicloesilcarbodiimmide (DCC) - si è rivelato piuttosto costoso, ad alta intensità di emissioni, e ha portato alla generazione di rifiuti pericolosi dal processo. Si potrebbe dire che DCC aveva un obiettivo sulla schiena dopo che il team di Brett era deciso a trovare un modo per ridurne o eliminarne l'uso.

D. Molte persone si confondono sul riciclaggio della plastica. Per esempio, cosa è riciclabile e cosa non lo è? Cosa succede dopo averlo messo nel cestino? Hai qualche consiglio in questo momento, prima che i PDK o altre plastiche veramente riciclabili arrivino sul mercato, per le persone che cercano di essere consapevoli dei materiali nelle loro vite?

Corinna:Per fortuna, la questione del riciclaggio della plastica sta ricevendo molta più attenzione ultimamente e ci sono ottime notizie che puoi leggere o guardare per ottenere una visione sorprendentemente sfumata di ciò che è o non è riciclabile. Penso che il principale malinteso sia che tutti abbiamo il dovere di mettere tutto ciò che ha quel piccolo logo del riciclaggio nel cestino. Infatti, ciò significa solo che le strutture che sono limitate in termini di spazio e capacità nella migliore delle situazioni potrebbero dover elaborare più materiale che alla fine andrà in discarica. La cosa migliore che puoi fare è innanzitutto evitare di generare rifiuti, quando possibile. Però, alla fine del giorno, dobbiamo essere pratici. Le persone, me compreso, vuole fare ciò che è conveniente. Quando ho un oggetto di plastica che devo buttare via, Mi pongo un paio di domande fondamentali:primo, la plastica è etichettata n. 1 (PET) o n. 2 (HDPE)? In secondo luogo, è tridimensionale (non piatto)? Se la risposta a una di queste domande è "no, " Lo butto nella spazzatura. La stragrande maggioranza delle balle miste n. 3-7 finisce nelle discariche, e se provi a riciclare cose piatte, come pellicole di plastica e buste di plastica, queste hanno buone probabilità di finire come contaminante in balle di carta o cartone altrimenti piuttosto di alto valore. Se le balle di fibre sono troppo contaminate, potrebbero non essere accettati. Quindi "ciclismo dei desideri, "come lo chiamano, può avere alcune conseguenze negative molto reali.

Brett:La pandemia ha cambiato la nostra comprensione di quanta plastica usiamo e quanto sarebbe difficile ridurla. Lavorare di più da casa, vediamo esattamente quanti rifiuti generiamo, mentre quando prima eravamo in viaggio, viaggiando tra molti luoghi, i nostri rifiuti quotidiani erano sparsi in cassonetti che altre persone svuotano. Assenza di qualsiasi tipo di normativa sull'uso della plastica e sulla responsabilità del produttore a fine vita, l'impatto più forte che potremmo avere potrebbe essere sfruttando il nostro potere d'acquisto acquistando prodotti realizzati con un alto contenuto post-consumo o materiali di origine biologica, o sono realizzati con polimeri altamente riciclabili come il PET. Allo stesso modo, potremmo scegliere di non acquistare prodotti che sarebbero difficili da riciclare, ad esempio quelli realizzati con miscele di diversi tipi di plastica. Fare scelte consapevoli è difficile, come ha detto Corinne. C'è un sacco di "ciclo dei desideri" che accade ai migliori di noi. È facile essere indotti a pensare che qualcosa sia sostenibile se ha un logo di riciclo da qualche parte. Per decenni, siamo stati condotti in questo modo, e ci vorrà del tempo per riorientare il nostro pensiero con in mente il riutilizzo sostenibile.

D. Raccontaci un momento clou personale degli ultimi due anni!

Brett:Non ho mai sperimentato niente di simile alla risposta del pubblico al nostro rapporto sui materiali PDK infinitamente riciclabili. È stato pubblicato online in occasione della Giornata della Terra del 2019, quando la consapevolezza degli impatti dei rifiuti di plastica stava diventando parte di una coscienza collettiva globale. Entro poche ore, Berkeley Lab stava rispondendo alle richieste dei media, che ha portato a un impegno di un anno con loro per fare chiarezza sul problema della plastica e sull'urgente necessità di soluzioni. Era anche chiaro che c'era una comunità in crescita da tutto il mondo e con background diversi, tutti concentrati sul lavoro insieme.

Corinna:Per me, visitare gli impianti di gestione dei rifiuti è stato un vero punto culminante, ed è qualcosa che mi è mancato durante la pandemia. Negli ultimi anni, Sono stato in una struttura di recupero materiali (MRF), un impianto di compostaggio, e più impianti di digestione anaerobica. C'è qualcosa di speciale nell'andare lì e vedere l'attrezzatura in azione, vedere che aspetto ha un sacchetto di plastica dopo che è stato sottoposto a un digestore o a un processo di compostaggio. Al MRF, parlano di aziende che prendono il loro nuovo imballaggio e lo inviano attraverso la struttura come un esperimento per vedere dove finisce. È un mondo completamente diverso e la maggior parte delle persone non riesce a vederlo.

D. Cosa ti entusiasma di più del futuro della collaborazione?

Corinne:Finora questo progetto è stata una delle esperienze più divertenti e appaganti della mia carriera al Berkeley Lab. I like the idea of digging into an application that makes sense for PDKs, like automotive parts or electronics, and figuring out how to implement it in practice. It gets into all sorts of interesting infrastructure issues. Cars have a very different end-of-life than consumer electronics, Per esempio. Would we want to let shredder facilities just shred vehicles, recover the metals, and then process the mixed material to recover PDKs, or should we try to pull out parts with PDK for recycling beforehand? What car parts make the most sense for PDK? I don't know the answer to those questions yet, but I want to find out. I have no doubt that Brett, Jay, and Kristin can figure out how to hit the necessary specifications and tune each type of PDK so it depolymerizes at just the right conditions. My favorite thing to do is take those cool results and figure out how they can work at scale.

Brett:I have learned so much working with this team. This is one of those projects where together, we are greater than the sum of our parts. I'm looking forward to understanding how PDKs might be tailored for specific applications and scaled. That's where our work with Corinne has been very insightful. I also look forward to working with Jay and Kristin on making PDKs from bio-based ingredients. There's a growing interest in highly recyclable bio-based plastics, and Jay and Kristin's efforts have been aimed at providing a competitive edge to both performance and recycling efficiency. The students and postdocs working on this project are endlessly creative and bring life to all of the ideas that come from our discussions.