Загрязнение окружающей среды пластиком представляет собой комплексную проблему, поскольку разные полимеры, такие как полиэфиры, ПЭТ и полиуретан, обладают уникальными химическими связями, требующими специфических методов разрушения. Хотя ферменты для расщепления некоторых пластиков уже разработаны, они решают лишь часть задачи. И если для ПЭТ и ряда других пластиков метод утилизации найден, то полиуретан был не по зубам учёным.

Почему ИИ никак не сесть на безматричную диету

Пять причин полюбить HONOR X8c

Пять причин полюбить HONOR Magic7 Pro

Hollow Knight: Silksong — песнь страданий и радостей. Рецензия

Пять причин полюбить HONOR Pad V9

Фитнес-браслет HUAWEI Band 10: настоящий металл

HUAWEI FreeArc: вероятно, самые удобные TWS-наушники

Обзор умных часов HUAWEI WATCH 5: часы юбилейные

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 4/3DNews

Полиуретан используется в упаковке, как элемент одежды и обуви и во многих других сферах. В 2024 году, к примеру, во всём мире было выпущено 22 млн т этого полимера, разложить который на составляющие химические вещества никак не удавалось. Отчасти полиуретан разлагается при нагреве в присутствии диэтиленгликоля, но базовых компонентов для повторного использования из получившейся смеси всё равно выделить было нельзя. Поэтому полиуретан банально сжигают, приравнивая его к токсичным отходам.

Международная группа учёных решила привлечь для поиска лучшего фермента для разложения полиуретана современные ИИ-инструменты для анализа белков (ферментов). Для начала они изучили работы коллег и отобрали 15 наиболее перспективных кандидатов. Важным условием было обеспечить работу фермента в присутствии диэтиленгликоля при нагреве. В таких обстоятельствах к стабильности белка предъявлялись особые требования. После проверки были оставлены 3 наиболее перспективных фермента, и уже по форме их белков был проведён поиск по реальным базам белковых структур и по базе предсказаний белков AlphaFold компании Google.

Эффективность поиска оказалась невысокой, после чего учёные адаптировали для своих целей нейронные сети Pythia-Pocket и Pythia. В задачи ИИ входил анализ аминокислот в составе перспективных ферментов — насколько сильно они могут вступать в реакцию с другими химическими веществами, а также определение стабильности ферментов в рабочих условиях. Доводка ИИ-инструментов привела к созданию ещё одного — платформы GRAS, которая справлялась с поставленными задачами лучше всего.

Алгоритм GRAS представил 24 кандидата в ферменты для разложения полиуретана, 21 из которых подтвердили свою активность в экспериментах, а 8 из них оказались в 30 раз лучше природных белков. В присутствии диэтиленгликоля и при нагреве до 50 °C один из ферментов превзошёл природный в 450 раз, на 98 % разложив полиуретан до базовых химических элементов за 12 часов. Масштабирование работ показало, что эффективность фермента снижается незначительно: при переработке килограмма полиуретана было переработано 95 % пластика. Устойчивость фермента также была выше всяких похвал — он допустил троекратное использование без разрушения.

Алгоритм GRAS способен предсказать белки для разложения других видов пластика. ИИ доказал, что он не нахлебник, потребляющий невообразимое количество энергии, а партнёр и помощник, открывающий путь к полной утилизации пластика и повторному использованию составляющих его химических веществ.

Последние работы учёных указывают на то, что засорение пластиком происходит повсеместно. Микропластик обнаружили в мозге и других органах человека. Несметное количество выброшенных пластиковых изделий, включая огромный остров из пластика в Тихом океане, заставляет учёных искать этому материалу быстроразлагаемую альтернативу. Похоже, японские учёные ближе всех подошли к знаковому рубежу.

Обзор умных часов HUAWEI WATCH 5: часы юбилейные

Пять причин полюбить HONOR Magic7 Pro

Пять причин полюбить HONOR X8c

Hollow Knight: Silksong — песнь страданий и радостей. Рецензия

HUAWEI FreeArc: вероятно, самые удобные TWS-наушники

Почему ИИ никак не сесть на безматричную диету

Пять причин полюбить HONOR Pad V9

Фитнес-браслет HUAWEI Band 10: настоящий металл

Источник изображения: University of Tokyo

Исследователи из Центра изучения новых материалов RIKEN и Токийского университета разработали новый пластиковый материал. Он не уступает по прочности традиционным пластмассам на нефтяной основе, но распадается на исходные компоненты при воздействии соли. Встречающиеся в природе бактерии затем перерабатывают эти компоненты, не оставляя после себя микропластиковых или нанопластиковых загрязнений.

Современный биоразлагаемый пластик до конца не перерабатывается в природе. По крайней мере, за достаточно короткое время. Представленный японскими учёными материал без остатка растворяется в солёной воде всего за час, а в земле, где также есть соли, — примерно за 200 часов в зависимости от размера образца.

Отмечается, что материал не токсичен для человека, огнеупорен и не выделяет углекислый газ. После нанесения покрытия он функционирует как любое обычное пластиковое изделие. В настоящее время команда сосредоточена на разработке оптимального метода нанесения покрытия, что указывает на то, что материал еще не готов к коммерциализации.

Пластиковые отходы являются основной причиной растущих экологических проблем в мире, с которыми сталкивается наша планета. Организация Объединенных Наций прогнозирует, что в течение следующих 15 лет уровень загрязнения пластиком утроится, а ежегодно в мировой океан будет попадать от 23 до 37 млн тонн отходов. Полностью разлагаемый пластик хотя бы перестанет усугублять проблему.

Появление роботизированных систем по сортировке отходов стало благом для сферы утилизации, но одновременно с этим вычеркнуло из списка перерабатываемых вещей пластик чёрного цвета. Оптические системы банально не способны распознавать его на конвейере. Но даже если бы они смогли с этим справиться, остаётся вопрос непосредственно переработки, чему мешает особый химический состав чёрного пластика. Обойти проблему смогли учёные из США.

Почему ИИ никак не сесть на безматричную диету

Hollow Knight: Silksong — песнь страданий и радостей. Рецензия

Фитнес-браслет HUAWEI Band 10: настоящий металл

HUAWEI FreeArc: вероятно, самые удобные TWS-наушники

Пять причин полюбить HONOR X8c

Пять причин полюбить HONOR Pad V9

Пять причин полюбить HONOR Magic7 Pro

Обзор умных часов HUAWEI WATCH 5: часы юбилейные

Измельчённый чёрный полистирол в пробирке под сфокусированными лучами солнца. Источник изображения: Hanning Jiang

Пластик чёрного цвета, например, в виде крышечек на одноразовых стаканчиках для кофе или пищевых контейнеров должен быть одновременно прочным при непосредственном использовании и подлежащим последующей переработке. Его разложение, как правило, происходит в бескислородной камере при нагреве до 300 °C, что не может считаться энергоэффективным в большом масштабе. Использование же иных красителей или присадок, которые помогли бы чёрному пластику распадаться при более мягких условиях, не подходит для изготовления упаковки длительного хранения.

Исследователи из США предложили окрашивать полистирол добавками из технического углерода. В некотором приближении — это сажа, но получаемая в пределах строгих технических условий. При освещении ярким солнечным и даже под искусственным светом технический углерод в составе полистирола начинает участвовать в реакции фототермической конверсии. Он поглощает фотоны и преобразует их в тепло, помогая пластику распадаться — переводя связанные с ним молекулы полистирола в жидкие стиролы. Жидкие растворы можно использовать повторно для изготовления пластиковых изделий.

В серии опытов учёные показали, что добавки из технического углерода помогают превратить под ярким освещением в стиролы до 53 % чёрного полистирола. В случае сфокусированного солнечного света степень разложения достигает 80 %. Если чёрный полистирол на основе технического углерода смешать с отходами полистирола других цветов, то в совокупности в стиролы превращается до 67 % утилизируемого сырья.