اختصاصی بسپار/ چند دستاورد پژوهشی در زمینهی پلاستیکهای مهندسیشده زیستپایه
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر صنعت پلاستیک ناگزیر است ردپای زیستمحیطی خود را بکاهد؛ اما بازار امروز تنها «زیستپایداری» را نمیپذیرد مواد باید همزمان کارایی مکانیکی زیاد، دوام گرمایی و فرایندپذیری صنعتی نیز داشته باشند. برای پاسخ به این انتظار دوگانه، شش موسسه از شبکه پژوهشی Fraunhofer-Gesellschaft پروژهای مشترک با عنوان SUBI2MA را راهاندازی کردهاند؛ طرحی که هدف آن توسعه مواد پیشرفته زیستپایه و زیستترکیبی کارآمد است.
پژوهشگران این پروژه، مسیر تحول بسپارها را بر سه هدف فنیِ بههمپیوسته استوار کردهاند: مهندسی مولکولی دقیق مواد زیستپایه، ادغام کارکرد زیستی در ماتریس بسپاری و تسریع توسعه از طریق ابزارهای دیجیتال.
هدف نخست: مهندسی بسپارهای زیستپایه با دقت مولکولی
در این رویکرد، مواد اولیه تجدیدپذیر بهعنوان منبع «واحدهای سازنده واکنشپذیر» با قابلیت طراحی دقیق ساختار مولکولی بهکار گرفته میشوند. یکی از نمونههای شاخص، استفاده از 3-carene—ترپن حاصل از فراوری سلولز—است.
پژوهشگران این مولکول را به دو لاکتام کایرال، یعنی 3S-caranlactam و 3R-caranlactam، تبدیل کرده و سپس از آنها پلیآمیدهایی با ویژگیهای متفاوت سنتز میکنند. ویژگی کایرالیته امکان کنترل دقیق بلورینگی، تحرک زنجیرهای و آرایش مولکولی را فراهم میکند—پارامترهایی که مستقیما بر سختی، رفتار نوری و پایداری گرمایی اثر میگذارند.
نتیجه این مسیر، تولید دو گونه متمایز است:
• Caramid-S® با ریزساختار نیمهبلوری که استحکام کششی و مقاومت گرمایی بیشتری ارائه میدهد و برای الیاف، تکرشتهای و قطعات تحتبار مناسب است.
• Caramid-R® با ساختار اَریخت(آمورف) که جذب انرژی و ترانمایی بیشتری دارد و در اسفنجهای تخصصی، اجزای شیشه ایمنی و کاربردهای نوری بهکار میرود.
این پلیآمیدها در چرخدندهها، قابهای چندسازهای سبکوزن، منسوجات حفاظتی و حتی بخیههای زیستپزشکی کارکرد قابلتوجهی نشان دادهاند. همچنین سنتز تکپارها تا مقیاس کیلوگرم بهبود یافته است که گامی مهم در جهت صنعتیسازی محسوب میشود.
هدف دوم: طراحی مواد زیستترکیبی با کارکرد زیستی یکپارچه
گام بعدی، فراتر رفتن از بسپارهای ساختاری و ادغام مستقیم زیستمولکولهای کارآمد در ماتریس بسپاری است. این رویکرد ظرفیت کارکرد پلاستیکها را فراتر میبرد.
برای نمونه:
• ساختارهای زیستی حاوی فسفر و نیتروژن میتوانند با تقویت تشکیل لایه زغالی و مهار رادیکالها، خاصیت بازدارندگی شعله ایجاد کنند؛ راهکاری که امکان کاهش یا حذف بازدارندههای هالوژندار را فراهم میسازد.
• ادغام زیمایه(آنزیم)های تجزیهکننده PET در سامانه بسپاری، تخریب کنترلشده را در شرایط مشخص ممکن میکند و راهبردهای چرخشپذیری (Circularity) را تقویت مینماید.
• چندسازههای الیافی با پروتئینهای عاملدار، چسبندگی الیاف–ماتریس را بهبود داده و انتقال بار و دوام مکانیکی را میافزایند که کاربردی کلیدی برای صنایع خودرویی و هوافضا است.
در حوزه اصلاح سطح نیز، استفاده از پروتئینهای آبگریز امکان ایجاد پوششهای دافع آب را فراهم کرده است؛ جایگزینی بالقوه برای پوششهای مبتنی بر PFAS که تحت فشارهای مقرراتی جهانی قرار دارند. این فناوری میتواند در پوشاک حفاظتی، تجهیزات فضای باز و تجهیزات پزشکی بهکار رود.
هدف سوم: شتابدهی نوآوری با توسعه دیجیتال
پژوهشگران دریافتهاند که تنها نوآوری شیمیایی کافی نیست؛ چرخه توسعه نیز باید کوتاهتر شود. از اینرو، ابزارهای دیجیتال در کل فرایند ادغام شدهاند:
• مدلسازی پیشبینیکننده و شبیهسازی برای برآورد رفتار مکانیکی و خستگی گرمایی
• دوقلوهای دیجیتال برای تحلیل پایداری بلندمدت
• ارزیابی زودهنگام بازیافتپذیری، مصرف انرژی و اثرات زیستمحیطی
همچنین نمایشدهندههای مجازی برای کاربردهایی نظیر لاستیک خودرو و منسوجات حفاظتی توسعه یافتهاند که شرایط واقعی مانند سایش، کرنش و پیرشدگی گرمایی را شبیهسازی میکنند. این ابزارها امکان اعتبارسنجی کارکرد بدون ساخت نمونههای پرهزینه در مقیاس کامل را فراهم میآورند.
افق پیشرو؛ نسل تازه مواد کارآمد و زیستپایدار
ترکیب مهندسی مولکولی دقیق، ادغام زیستی و سرعتبخشی دیجیتالی، مسیر شکلگیری نسل جدیدی از مواد مهندسی را بهعنوان موادی که همزمان الزامات سختگیرانه مکانیکی و اهداف زیستمحیطی را برآورده میسازند، هموار میکند.
با نزدیکشدن این فناوریها به تولید صنعتی، صنعت پلاستیک گامی عملی بهسوی گذار از مواد فسیلی به راهکارهای تجدیدپذیر و چندکارکردی برمیدارد؛ مسیری که میتواند استانداردهای کارکردی آینده را با اهداف جهانی زیستپایداری همسو کند.
