聚乙烯是世界上最常用的塑料之一，用于制造瓶子和包装膜，但它也是最难分解的塑料之一。单独分解聚乙烯需要数百年的时间。科学家们一直在努力解决这个问题，因为聚乙烯垃圾正在堵塞垃圾填埋场，并污染海滩和海洋。
分解聚乙烯的一个主要障碍在于其分子结构的一个特征。它包含不活泼的碳链，这些碳链是共价键，将原子紧密地结合在一起，需要很高的力量和能量才能将它们分开。但科学家们一直在努力寻找分解聚乙烯的解决方案。周四在《科学》杂志上发表的一项新研究提出了一种有效将聚乙烯转化为丙烯的方法，丙烯是一种更容易用于未来化学反应的化学物质。
加州大学圣巴巴拉分校化学教授、另一项使用类似技术实现相同目标的新研究的作者苏珊娜·斯科特（Susannah Scott）解释说，将聚乙烯转化为可用的聚合物可以提高塑料的价值，并提供一种替代丢弃它的方法。在她周二发表的预印本研究中，斯科特和她的同事们也描述了一种方法，他们从中去除了聚乙烯链中的氢，产生了更易断裂的活泼键。
聚乙烯自 20 世纪 30 年代以来就已存在，但科学家们用了 20 年的时间才改进了这种塑料，使其更坚硬、更耐用、更耐热。快进到今天，聚乙烯的碳-碳和碳-氢键几乎牢不可破，这有助于制造从塑料水瓶到电缆绝缘层的各种材料。然而，同样的化学键使得在不付出高昂能源成本的情况下分解它们变得困难。
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为了破坏聚乙烯中的碳-碳单键，通常需要在特殊条件下，在高温下加热它们：无氧，或使用催化剂并添加氢气。然而，这两种方法都不能完全消除不活泼的键。加州大学伯克利分校化学教授、在《科学》杂志上发表的研究的资深作者约翰·哈特维格（John Hartwig）试图通过在每个原子对之间引入一个更活泼的键来分割这些碳链。
这种键被称为双键，当两个电子对在原子之间共享时形成。虽然双键比单键强，但它更不稳定，更容易断裂。他们和斯科特的团队一样，依次从越来越小的碳链中去除氢，制造出非常微小的活泼材料。当双键断裂时，科学家们得到的产品也具有活泼键，使这些碎片可以再次使用。然后，他们将这些小碎片以不同的方式重新组合，制造出另一种聚合物——丙烯。
该反应产生的最终产品中约有 80% 是丙烯。哈特维格解释说：“其他方法形成了可能只有小众应用的产物混合物。”他表示，生产大部分丙烯很重要，因为它的需求量很大。丙烯是许多其他化学品的重要构件，用于制造外用酒精和聚酯。
加州大学圣巴巴拉分校绿色化学教授、与本研究无关的马赫迪·阿布-奥马尔（Mahdi Abu-Omar）表示，这个丙烯收率“非常令人兴奋”，因为在最终产品中，每三个碳原子中有两个来自废弃材料。
在新的预印本研究中，斯科特及其同事的方法产生了 94% 的丙烯。她说，虽然与《科学》杂志上发表的程序相似，但预印本研究中的方法具有更连续的流动，并且使用了更少的有机化学品乙烯。这是因为他们同时添加乙烯，同时去除形成的丙烯。斯科特说：“我们称之为循环利用，即您将聚合物拆开，取回碎片，然后以新的方式将它们重新组合，用它们来制造聚合物。”
这些研究与过去降解聚乙烯的努力相符。2020 年的一篇论文提出了一个有机反应模型，在该模型中，可以使用金属催化剂重新分布碳-碳双键以加速该过程。
虽然聚乙烯本身无毒，但它可能与其他有毒物质相互作用，从而污染塑料表面。此外，当聚乙烯在环境中降解时，动物可能会摄入被称为微塑料的微小聚合物颗粒，这些颗粒也可能被土壤吸收。虽然我们仍然不知道微塑料的真正生态影响，但研究表明，人类摄入微塑料可能导致细胞损伤、发育毒性以及癌症风险增加。
斯科特说：“这是一个有趣的科学和社会挑战。我们都意识到（塑料降解）是我们亟需解决的问题，这令人兴奋，因为人们正在以研究中通常看不到的速度推动整个领域向前发展。”
