本文最初发表在 Knowable Magazine 上。
这曾被誉为一个奇迹：20 世纪 50 年代石油繁荣时期，化学家们开始将炼油厂的废料转化为塑料——塑料包装、塑料家具、用于合成织物的塑料纤维。这些是奇迹般的材料，可塑、柔软，但又坚固耐用。此后几十年里，全球塑料年产量飙升：人类已经生产了 80 亿吨塑料。
轻描淡写地说，这次繁荣带来了问题。有史以来生产的大部分塑料——约 50 亿吨——散布在地球表面。每天，有超过 10,000 吨塑料冲入海洋。塑料的耐用性，使其如此神奇的特性之一，也使其成为强大的污染物。
公平地说，早期支持者也承认塑料改变了世界。许多基本技术——从汽车到手机再到电脑——都使用塑料。泡沫隔热材料帮助房屋提高了 200 倍的能源效率。塑料薄膜延长了易腐食品的保质期。
“我不喜欢人们妖魔化塑料，好像它是我们制造过的最邪恶的东西，”华盛顿大学物理学家 Eleftheria Roumeli 说，她是 2023 年《材料科学年度评论》上一篇关于可持续聚合物的文章的合著者。“这是卓越工程的产物。”
她认为，我们不应放弃这种材料，而是需要找到一种更好、更友好的替代品——具有现代塑料的拉伸强度和柔韧性，但来源于可持续的生物来源，并能有效地回归环境。
这意味着要从头开始重新思考塑料生产。
从单体到聚合物
目前的塑料生产方法包括两大步骤：先分解，再重新构建。
分解——即所谓的“裂解”，在高温高压下进行——将精炼的石油材料转化为称为单体的简单分子。这些单体成为重新构建的产品的骨架。由此产生的链或晶格被称为聚合物，是任何塑料的基本结构组件。
但塑料的制造并未就此结束。接下来是添加剂的加入——着色剂、阻燃剂和填料。材料科学家们会考虑各种变量，从“硬度”到“撕裂强度”再到“拉伸模量”，这些都表明塑料在不同应力下的表现。最重要的添加剂可以调整这些性能，通常通过调整聚合物链之间的键来实现。例如，称为增塑剂的化学品会嵌入链之间，帮助增加柔韧性——但代价是使塑料更容易被撕裂。
通过混合和匹配聚合物和添加剂，化学家们创造出最终的复合材料，这些材料被用于食品包装和汽水瓶、化妆品中的微珠，甚至是我们用于矫正视力的隐形眼镜等柔性水凝胶。通过化学，单一的聚合物如聚氯乙烯——或通常称为 PVC——可以被制成硬质雨水管道或服装。
塑料生产占全球化石燃料消耗的比例高达 8%——据估计，到 2050 年这一数字可能会升至 20%。但早在石油工业兴起之前几十年，化学家们就已经在从麦麸和植物油等材料中制造“合成”塑料。走向更可持续塑料的途径之一就是回归这些生物来源。
例如，2006 年，巴西石化公司 Braskem 启动了实验，以探索是否能经济地将糖转化为乙烯，乙烯是商品塑料生产中最重要的单体。到 2010 年，Braskem 已经销售了“全生物”聚乙烯塑料，即生物 PE。
这种材料最大的优点是甘蔗在生长过程中会从大气中吸收碳。而且，由于在结构上，生物 PE 与其合成对应物无法区分，因此生物 PE 很容易被用于食品包装、化妆品和玩具等应用。
但化学上无法区分也是一个问题。由于聚乙烯在自然环境中并不存在，很少有微生物能够分解其分子键。因此，生物 PE 无法解决废物问题。换句话说，仅仅因为某种材料是“生物塑料”，并不意味着它本身就具有可持续性。
“这些术语都没有得到充分的监管或有意义的定义，这造成了很多混淆，”莱斯大学贝克研究所能源与可持续发展研究员 Rachel Meidl 说。
Meidl 将塑料及其潜在替代品分为四个象限。一个轴是材料的来源：有些是“生物基”，来自生物材料；有些是石油基。另一个轴是下游处理：有些材料是可生物降解的，有些则不是。但即使是落在最佳象限的材料——既是生物基又是可生物降解的——也并非万能。可生物降解仅仅意味着材料可以被微生物分解，即使结果是微小的塑料颗粒。理想的材料不仅是可生物降解的，而且是*可堆肥的*——这是一个更窄的类别，表明材料可以分解成对动植物无害的有机成分。
不幸的是，可堆肥性并不容易实现。您很可能在可堆肥餐具和外卖容器中见过聚乳酸，即 PLA。PLA 是最常见的生物基塑料，*技术上*是可堆肥的，但在工业设施中才能获得的特定条件下才能实现，而目前工业设施的数量还不够。由于如今大多数 PLA 外卖容器最终会与食物残渣一起被丢弃，因此堆肥者必须花费时间将两者分开。
莱斯大学贝克研究所能源与可持续发展研究员 Rachel Meidl 说，改进塑料的一种方法是寻找更好的生物来源单体。2020 年，加州的一个科学家团队报告称，他们从藻类产生的油中分离出一种称为多元醇的单体，然后将其重新组装成一种可用于商用鞋类的泡沫状塑料。该材料在土壤中能有效降解。
然而，一些科学家认为，更好的选择是放弃标准的能源密集型两步法，即先分解成单体，再重新构建。塔夫茨大学生物医学工程师 David Kaplan 说，自然界本身就提供了有前途的、全部可堆肥的聚合物。而且由于它们在不同的时间尺度上降解，如果您选择合适的聚合物或对其进行适当调整，您就可以创造出适合各种应用的材料。
以纤维素为例，它是最常见的生物聚合物，存在于植物的细胞壁中。它本质上是糖分子的链，但这些链被组装成称为纳米纤维的微小纤维，然后捆绑成微纤维，再形成肉眼可见的大纤维，例如芹菜中的丝状结构。材料科学家称之为分级结构。
相比之下，合成聚合物通常被压入料斗，挤压成均质的团块。Kaplan 说，结果是分子之间形成“牢固、坚硬的键”。“生物学很少这样做。”相反，生物聚合物的键要弱得多——通常是静电力相互作用，将一个聚合物分子中的氢原子与另一个聚合物分子中的氢原子连接起来，但密度非常高。
但通过更好地理解这些结构，工程师们将能够改进生物材料。例如，研究表明，纤维素纤维越细，拉伸强度越大，这意味着材料在张力下不易断裂。增加的表面积意味着氢原子能更好地动态地创建和断裂相邻链之间的键。
直接到细胞
一旦放弃了单体——省去了塑料生产过程中的一个完整步骤——为什么不走得更远呢？一些材料科学家正在追求 Kaplan 所说的“自下而上设计”：他们不分离和重制单个生物聚合物，而是利用大自然提供的材料——从整个细胞或其他生物材料中创造生物塑料，无需破开和提取。
例如，Roumeli 挖掘了海藻细胞的潜力。它们很小，因此易于操作；它们含有大量的蛋白质（生物聚合物）以及其他有用材料。她和她的学生将海藻粉末通过热压机处理。在调整了压力时间、温度和施加的压力（所有这些都会影响分子的结合方式）的多次试验后，他们发现他们能够生产出比许多商品塑料更坚固的材料。
该材料还可以回收利用：可以将其研磨成粉末并再次压制。（测试表明，材料在每次回收过程中都会损失一些强度，这与合成塑料的情况一样。）如果将其随意丢弃在泥土中，其分解速度将与香蕉皮相当。
Kaplan 已经进行了类似的丝绸研究，丝绸长期以来被认为太脆弱而无法进行热加工。人们曾认为氢键会在高温下断裂，丝绸会直接燃烧。但在 2020 年的一篇论文中，Kaplan 和同事们证明了丝绸颗粒可以像塑料一样被模压成可调材料。此后，他发现整个蚕茧都可以通过这种方式加工。
Roumeli 说，这类材料是双赢的。它们是可再生的，不含化石燃料，甚至可以在生长过程中吸收大气中的碳。它们可以完全生物降解。“唯一不是赢的是我们的经济——和我们的规模化，”她说。
这也许是这种新塑料方法的最大问题：它的激进性质意味着它至少目前来说将是昂贵的。要使产品廉价，您希望能够在现有设施中生产，因为这可以帮助初创公司避免大量的资本支出。但那些设施的所有者可能会认为生物复合材料太不纯——阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所的化学家 Gadi Rothenberg 说，它们是“垃圾”。
Rothenberg 指出，在用于生产汽水瓶塑料 PET 的原料中，每 100,000 个分子中只有一个是期望的单体。生物材料很少如此纯净。
制造商也可能更倾向于选择久经考验的而不是意想不到的。Rothenberg 开发了他自己的植物基可持续聚合物，他认为它足够接近标准材料，可以轻松地“直接”用于家具生产。但他第一次将它推销给公司时，“起初，他们甚至不想听，”他说。即使是生物 PE，这种甘蔗基产品，其化学成分与其合成对应物相同，但根据一些数据，其制造成本却高出 30% 以上，因此关心利润的公司将继续选择现有产品。
根据行业协会 Plastics Europe 的数据，如今，生物基塑料仅占当前市场份额的不到 1%。Rothenberg 说，推动生物基聚合物“在经济性达标之前不会有任何进展”。他预测，最终，政府将不得不认识到传统塑料的真实、全部成本——其碳足迹以及清理污染的费用——之后，可持续材料才会普及。
处于前沿的科学家们仍然充满希望。Roumeli 指出，合成聚乙烯——“我们今天最便宜、产量最高、消费最多的塑料”——曾经也是一种新奇事物。Kaplan 说，他毫不怀疑有一天，“所有这些前体和聚合物都将以生物方式制造，或真正以循环利用为目标来制造。”
“但我们还没有达到那个阶段，”他补充说。麻烦在于，随着塑料废物不断堆积，气温不断上升，我们可能没有太多时间可以等待。
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
