Theo các nhà khoa học tại Đại học Rutgers, các loại nhựa hiện nay được thiết kế để “siêu bền”, khiến chúng tồn tại hàng trăm năm trong môi trường. Ngược lại, các polymer tự nhiên như DNA, RNA hay protein lại có vòng đời hữu hạn: chúng hoạt động, hoàn thành nhiệm vụ rồi tự phân rã.

Lấy cảm hứng từ cơ chế tự hủy này, nhóm nghiên cứu đã đặt mục tiêu tích hợp khả năng tương tự vào nhựa tổng hợp. Điều đáng chú ý là công nghệ này không dựa trên các hóa chất mới mà tận dụng cách gấp nếp đặc biệt của các phân tử polymer trong không gian.

Trong tự nhiên, polymer phân rã vì một số liên kết trong cấu trúc vốn dễ bị phá vỡ dưới tác động nhẹ của nước, ánh sáng hoặc biến đổi hóa học. Nhựa tổng hợp cũng có các liên kết có thể đứt gãy, nhưng hình dạng của chúng lại vô tình che chắn những điểm yếu đó.

Để thay đổi điều này, nhóm nghiên cứu đặt ra câu hỏi: Điều gì sẽ xảy ra nếu polymer được gấp theo cách giúp các liên kết yếu “lộ diện” đúng thời điểm?

Họ áp dụng phương pháp “tiền tổ chức cấu hình”, tức gấp trước phân tử theo cấu trúc định sẵn sao cho tại một thời điểm kích hoạt, liên kết quan trọng sẽ dễ dàng đứt gãy. Các nhà khoa học so sánh quá trình này như tạo một nếp gấp trên tờ giấy để dễ xé: không có nếp gấp, việc xé gọn gàng gần như bất khả thi.

Nhóm đã đưa “nếp gấp” này vào nhựa bằng cách sử dụng những liên kết quen thuộc trong polymer, sau đó gắn thêm các nhóm hóa học nhỏ cạnh liên kết đó. Khi gặp nước hoặc tác nhân kích hoạt, các nhóm này xoay vào đúng vị trí và tự làm đứt liên kết.

Bằng cách điều chỉnh hình học của các nhóm hỗ trợ, vật liệu có thể được lập trình phân hủy trong vài ngày, vài tháng hoặc thậm chí vài năm. Điều này mở ra khả năng thiết kế tuổi thọ nhựa theo nhu cầu sử dụng chỉ bằng việc tinh chỉnh cấu trúc.

Tiềm năng ứng dụng từ bao bì đến vật liệu xây dựng

Do không yêu cầu hóa chất độc hại hay vật liệu hiếm, công nghệ này có thể áp dụng vào nhiều sản phẩm nhựa ngắn hạn như bao bì, hộp đựng thực phẩm, đồ dùng dùng một lần. Đây là những vật liệu cần bền trong thời gian ngắn và tự phân rã sau đó.

Các nhà nghiên cứu cho biết, vật liệu mới cũng hứa hẹn ứng dụng cho đồ nhựa bền vững hơn như chi tiết ô tô hoặc vật liệu xây dựng, nơi sản phẩm cần tồn tại hàng chục năm rồi mới bắt đầu phân hủy chậm khi tiếp xúc với môi trường.

Theo chia sẻ từ nhóm nghiên cứu, các polymer này thậm chí có thể sử dụng ánh sáng hoặc ion kim loại như “công tắc bật/tắt” để kích hoạt quá trình phân hủy, biến chúng thành vật liệu có khả năng kiểm soát vòng đời một cách chủ động.

Hiện tại, vật liệu mới chỉ được tạo ra và đánh giá trong môi trường phòng thí nghiệm. Để tiến tới ứng dụng thực tế sẽ còn cần thêm nhiều thử nghiệm nhằm đảm bảo độ an toàn, tính ổn định cũng như khả năng tích hợp vào quy trình sản xuất nhựa công nghiệp.

Dù vậy, theo nhóm nghiên cứu, phát hiện này mở ra “một bộ công cụ hoàn toàn mới” để tái thiết kế nhựa mà không phải thay đổi bản chất hóa học của chúng.

Nghiên cứu chi tiết đã được công bố trên tạp chí Nature Chemistry.