Gu começou a pensar sobre polímeros, moléculas longas em forma de cadeia que compõem tanto materiais naturais quanto plásticos modernos. O DNA e o RNA são polímeros, assim como proteínas e celulose. A diferença é que os polímeros da natureza eventualmente se decompõem, enquanto os plásticos sintéticos muitas vezes permanecem no ambiente por décadas ou mais.

“A biologia usa polímeros em todos os lugares, como proteínas, DNA, RNA e celulose, mas a natureza nunca enfrenta os problemas de acúmulo a longo prazo que vemos com plásticos sintéticos”, disse Gu, professor assistente no Departamento de Química e Biologia Química da Rutgers School of Arts and Sciences.

Parado ali na floresta, a razão se tornou subitamente clara para ele.

“A diferença deve estar na química”, disse ele.

Copiando a Estratégia de Saída Embutida da Natureza

Gu percebeu que se os polímeros naturais podem realizar sua função e depois desaparecer, os plásticos feitos pelo homem também poderiam fazer o mesmo. Ele já sabia que os polímeros biológicos contêm pequenas características químicas embutidas que ajudam suas ligações a se romper no momento certo.

“Eu pensei, e se copiássemos esse truque estrutural?” disse ele. “Poderíamos fazer os plásticos feitos pelo homem se comportarem da mesma maneira?”

Essa pergunta levou a um avanço. Em um estudo publicado na Nature Chemistry, Gu e seus colegas da Rutgers mostraram que, usando essa abordagem inspirada na natureza, os plásticos podem se decompor em condições do dia a dia, sem a necessidade de altas temperaturas ou produtos químicos agressivos.

“Queríamos enfrentar um dos maiores desafios dos plásticos modernos”, disse Gu. “Nosso objetivo era encontrar uma nova estratégia química que permitisse que os plásticos se degradassem naturalmente em condições cotidianas, sem a necessidade de tratamentos especiais.”

Como Funcionam os Polímeros e as Ligações Químicas

Os polímeros são feitos de muitas unidades repetitivas ligadas entre si, como contas em um cordão. Os plásticos se encaixam nesta categoria, assim como DNA, RNA e proteínas. O DNA e o RNA consistem em cadeias de unidades menores conhecidas como nucleotídeos, enquanto as proteínas são construídas a partir de aminoácidos.

O que mantém essas unidades unidas são as ligações químicas, que agem como cola em nível molecular. Nos polímeros, essas ligações conectam um bloco de construção ao próximo. Ligações fortes conferem durabilidade aos plásticos, mas também dificultam sua degradação uma vez descartados. A pesquisa de Gu se concentrou em projetar ligações que permanecem fortes durante o uso, mas se tornam mais fáceis de quebrar mais tarde, quando a degradação é desejada.

Plásticos Programáveis com Pontos Fracos Embutidos

Essa pesquisa faz mais do que tornar os plásticos degradáveis. Ela torna sua decomposição programável.

A descoberta chave envolveu organizar cuidadosamente partes da estrutura química do plástico para que se sentem nas posições certas para começar a se romper quando acionadas. Gu compara a ideia a dobrar um pedaço de papel para que ele se rasgue facilmente ao longo de um vinco. Ao “pré-dobrar” efetivamente a estrutura em nível molecular, o plástico pode se desintegrar milhares de vezes mais rápido do que o habitual.

Apesar dessa vulnerabilidade embutida, a composição química geral do plástico permanece inalterada. Isso significa que ele continua forte e útil até o momento em que a degradação é ativada.

“O mais importante é que descobrimos que a disposição espacial exata desses grupos vizinhos muda dramaticamente a velocidade com que o polímero se degrada”, disse Gu. “Ao controlar sua orientação e posicionamento, podemos fazer o mesmo plástico se decompor em dias, meses ou até mesmo anos.”

Emparelhando a Vida Útil do Plástico com Uso no Mundo Real

Esse nível de controle permite projetar plásticos com vidas úteis que se ajustam ao seu propósito. Embalagens de alimentos podem precisar durar apenas um dia, enquanto componentes automotivos devem aguentar por muitos anos. Os pesquisadores mostraram que a degradação pode ser incorporada desde o início ou ativada mais tarde usando luz ultravioleta ou íons metálicos.

As aplicações potenciais vão muito além da redução da poluição plástica. Gu afirmou que a mesma química poderia levar a cápsulas de liberação de medicamentos temporizadas ou revestimentos que se apagam após um período definido.

“Essa pesquisa não apenas abre as portas para plásticos mais ambientalmente responsáveis, mas também amplia o arsenal para projetar materiais poliméricos inteligentes e responsivos em diversos campos”, disse ele.

Testes de Segurança e o Caminho à Frente

Para Gu, a visão de longo prazo é simples. Os plásticos devem desempenhar seu papel e, em seguida, desaparecer.

“Nossa estratégia fornece uma maneira prática e baseada em química de redesenhar esses materiais para que ainda possam funcionar bem durante seu uso, mas então se decompor naturalmente depois”, disse ele.

Testes iniciais em laboratório indicam que o líquido produzido quando os plásticos se decompõem não é tóxico, embora Gu enfatize que mais testes são necessários para confirmar a segurança a longo prazo.

Olhando para trás, Gu disse que ficou surpreso que uma ideia surgida durante uma caminhada tranquila realmente funcionasse.

“Foi um pensamento simples, copiar a estrutura da natureza para alcançar o mesmo objetivo”, disse ele. “Mas ver isso ter sucesso foi incrível.”

Expandindo a Pesquisa

Gu e sua equipe estão agora avançando a pesquisa. Eles estão examinando de perto se os pequenos fragmentos deixados após a decomposição do plástico representam algum risco para organismos vivos ou ecossistemas, assegurando segurança em todo o ciclo de vida do material.

Eles também estão explorando como sua abordagem química poderia ser aplicada a plásticos convencionais e integrada aos processos de fabricação existentes. Ao mesmo tempo, estão testando se o método pode ser usado para criar cápsulas que liberam medicamentos em momentos cuidadosamente controlados.

Enquanto desafios técnicos permanecem, Gu acredita que o desenvolvimento contínuo, juntamente com a colaboração com fabricantes de plásticos focados na sustentabilidade, poderia trazer essa química para produtos do dia a dia.

Outros cientistas da Rutgers que contribuíram para o estudo incluem: Shaozhen Yin, um estudante de doutorado no laboratório de Gu, que é o primeiro autor do artigo; Lu Wang, professora associada no Departamento de Química e Biologia Química; Rui Zhang, estudante de doutorado no laboratório de Wang; N. Sanjeeva Murthy, professora de pesquisa associada no Laboratório de Pesquisa em Biomateriais; e Ruihao Zhou, um ex-estudante de graduação visitante.