Vật liệu nhựa mới này có khả năng ghi nhớ hình dạng và phân hủy sinh học một phần dưới tác dụng của tự nhiên. Sản phẩm là kết quả của quá trình tích hợp phân tử polyrotaxane (chuỗi các phân tử lồng) vào nhựa epoxy vitrimer. Được đặt tên là VPR, loại nhựa mới này giữ được cấu trúc ban đầu ở nhiệt độ thấp nhờ các liên kết hóa học mạnh mẽ bên trong.

Hình dạng phức tạp của một con hạc origami gấp bằng nhựa phục hồi khi gia nhiệt sau khi được làm phẳng. Video: 2023, Shota Ando

Khi ở nhiệt độ trên 150 độ C, những liên kết của loại nhựa này sẽ kết hợp lại và vật liệu có thể biến đổi thành những hình dạng khác nhau. Dưới tác dụng của nhiệt và dung môi, VPR sẽ bị phá vỡ thành những thành phần thô ban đầu.

Ngâm nhựa trong nước biển 30 ngày dẫn đến sự phân hủy sinh học 25%, trong đó polyrotaxane bị phân hủy thành nguồn thức ăn cho sinh vật biển. Vật liệu mới có thể có những ứng dụng rộng rãi cho một nền kinh tế tuần hoàn, đạt mục tiêu tái tuần hoàn tài nguyên và giảm thiểu chất thải, từ các thiết bị kỹ thuật và sản xuất đến những sản phẩm y học và thời trang bền vững với môi trường.

Giải quyết vấn đề sử dụng lãng phí và rác thải nhựa

Mặc dù các quốc gia đang thúc đẩy các chiến dịch toàn cầu nhằm hạn chế sử dụng và lãng phí nhựa nhằm giảm thiểu rác thải làm ô nhiễm môi trường, thế giới vẫn không thể không sử dụng loại vật liệu rẻ tiền, bền và phổ biến này. Nhựa hiện diện trong mọi mặt đời sống, từ đồ chơi, quần áo, đồ gia dụng và đồ điện tử, phương tiện giao thông và cơ sở hạ tầng xã hội.

Bề mặt VPR bị trầy xước với độ sâu 0,1 mm bằng dao mổ, có thể lành hoàn toàn trong 60 giây sau khi gia nhiệt đến 150 độ C bằng súng nhiệt. Video: 2023, Shota Ando

Mặc dù nhựa thực sự hữu ích nhưng sự phổ dụng tạo lên hàng loạt vấn đề nghiêm trọng liên quan đến vòng đời và rác thải nhựa. Định hướng phát triển những giải pháp thay thế khiến vật liệu có tuổi thọ cao, có thể tái sử dụng và tái chế dễ dàng hơn hoặc vật liệu được làm từ những nguồn thân thiện với môi trường, dễ dàng bị phân hủy là yếu tố then chót cho phép giải quyết những vấn đề tồn đọng gây nguy hiểm cho xã hội, hiện thực hóa những Mục tiêu Phát triển Bền vững của Liên Hợp Quốc.

Thuộc tính nâng cao của VPR

Nhằm giải quyết dễ dàng hơn những thách thức của vật liệu nhựa, các nhà khoa học thuộc Đại học Tokyo phát triển một loại nhựa bền vững hơn trên cơ sở nhựa epoxy vitrimer. Vitrimer là một loại nhựa tổng hợp tương đối mới, rắn chắc và bền ở nhiệt độ thấp như nhựa nhiệt rắn, dùng để sản xuất bộ đồ ăn chịu nhiệt, nhưng cũng có thể được định hình lại nhiều lần ở nhiệt độ cao hơn như nhựa nhiệt dẻo, dùng để sản xuất chai nhựa

Nhưng vitrimer thường giòn và không thể kéo giãn do sẽ bị đưt gãy. Bằng cách thêm một phân tử gọi là polyrotaxane (phân tử tổng hợp từ chuỗi các phân tử lồng), nhóm nghiên cứu đã sáng tạo ra một phiên bản nâng cấp của vitrimer, được đặt tên là VPR (vitrimer kết hợp với polyrotaxane (PR)).

Thử nghiệm phục hồi hình dạng của nhựa vitrimer với polyrotaxane, được nung nóng đến 120 độ C trên bếp điện. Video: Shota Ando 2023.

Trợ lý Dự án, GS Shota Ando từ Trường Cao học Khoa học Hàng đầu cho biết: “VPR có khả năng chống gãy vỡ cao gấp 5 lần so với nhựa epoxy vitrimer thông thường. “Vật liệu mới cũng tự sửa chữa nhanh gấp 15 lần, có thể khôi phục hình dạng đã ghi nhớ ban đầu nhanh gấp đôi và tái chế hóa học nhanh gấp 10 lần so với vitrimer thông thường. Vật liệu nhựa còn có khả năng phân hủy sinh học an toàn trong môi trường biển, đây là tính chất quan trọng của vật liệu nhựa hiện nay.”

Polyrotaxane đã thu hút được sự quan tâm trong giới khoa học và các lĩnh vực công nghiệp vì có thể tăng cường độ dẻo dai của các vật liệu khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy, độ dẻo dai tăng cường và khả năng phục hồi của VPR cho phép chế tạo và giữ ổn định các hình dạng phức tạp ở nhiệt độ thấp.

GS Ando giải thích: “Mặc dù loại nhựa mới không hòa tan trong nhiều dung môi khác nhau ở nhiệt độ phòng, nhưng vật liệu dễ dàng bị phân hủy thành nguyên liệu thô khi ngâm trong một dung môi cụ thể và đun nóng. Vật liệu mới có khả năng phân hủy sinh học 25% sau khi tiếp xúc với nước biển trong 30 ngày. Nhựa epoxy vitrimer không có PR không có khả năng phân hủy sinh học rõ ràng nào. Những đặc điểm tính chất hóa học mới khiến nhựa VPR trở thành vật liệu lý tưởng trong xã hội ngày nay với nhu cầu tái chế lại tài nguyên.”

Ứng dụng thực tế và nghiên cứu trong tương lai

Từ kỹ thuật đến thời trang, robot đến y học, VPR có thể có những ứng dụng thực tế trong cả lĩnh vực công nghiệp và đời sống xã hội.

“Một số ví dụ điển hình, vật liệu cơ sở hạ tầng cho đường và cầu thường được làm từ nhựa epoxy trộn với các hợp chất như bê tông và carbon. Nếu sử dụng VPR, những nguyên liệu này dễ bảo trì hơn vì do có độ bền cao hơn và có thể chữa lành bằng nhiệt,” Ông Ando nhận xét: “VPR có ưu thế hơn nhựa epoxy thông thường, vật liệu mới này cứng nhưng có khả năng co giãn, đồng thời cũng có thể liên kết chặt chẽ những vật liệu có độ cứng và độ giãn dài khác nhau, cần thiết cho sản xuất xe ô tô. Ngoài ra, do vật liệu có tính chất nhớ hình dạng, chỉnh sửa và khả năng phục hồi hình dạng, nên có thể điều chỉnh hình dáng những vật dụng trong nhà, đơn giản chỉ bằng máy sấy tóc hoặc bàn ủi hơi nước.”

Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ làm việc với các công ty để xác định tính khả thi những ý tưởng sử dụng VPR trong những ứng dụng cụ thể, đồng thời tiếp tục nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhằm tìm giải pháp để có thể triệt để tái chế hoặc phân hủy VPR.

GS Ando cho biết: “Tôi luôn nghĩ rằng nhựa hiện có rất khó thu hồi và xử lý vì các loại nhựa được chế tạo khác nhau theo nhiều mục đích sử dụng. Sẽ thật lý tưởng nếu có thể giải quyết nhiều vấn đề của nhu cầu xã hội chỉ bằng một loại vật liệu có những đặc tính hữu ích như VPR.”