Une équipe de recherche internationale conjointe, comprenant l’institut de recherche RIKEN 理研 (理化学研究所, Rikagaku Kenkyûsho : « Institut de recherche physique et chimique ») et l’université de Tokyo 東京大学, a développé un matériau de dureté et résistance comparables aux plastiques conventionnels, mais qui a l’avantage de se décomposer en quelques heures seulement lorsqu’il est immergé dans l’eau de mer.
Les résultats ont été rapportés dans la revue scientifique américaine « Science Electronics » du 22 novembre 2024 sur le recyclage des polymères.
Le problème des déchets plastiques est l’un des principaux facteurs accélérateurs du réchauffement climatique et de la pollution environnementale à l’échelle mondiale. Actuellement, 430 millions de tonnes de plastique sont produits chaque année dans le monde, mais seulement moins de 9 % sont recyclés, le reste étant rejeté dans la nature.
Les plastiques, actuellement essentiels à la société moderne, sont composés de macromolécules appelées polymères. Les polymères sont eux-mêmes constitués de nombreux monomères liés entre eux par des liaisons covalentes stables via une réaction de polymérisation, et la plupart d’entre eux sont fabriqués à partir de ressources fossiles. Lorsque le plastique est déversé dans l’environnement naturel, il se décompose et s’accumule progressivement sous forme de microplastiques (plastiques fins de moins de 5 mm), polluant l’environnement mondial et suscitant des inquiétudes quant à leur impact négatif sur l’écosystème et la santé humaine.
En réaction, des plastiques biodégradables ont été développés, mais leur résistance et le temps imparti à leur décomposition sont trop importants pour pouvoir constituer une solution exploitable contre la pollution sur le long terme.
Les résultats des recherches entreprises par l’équipe internationale suggèrent pour la première fois la possibilité de polymères supramoléculaires solides comme matériau alternatif aux plastiques pour contribuer à réduire à grande échelle la pollution environnementale causée par les microplastiques.
Le directeur du groupe RIKEN, AIDA Takuzô 相田 卓三, professeur émérite à l’université de Tokyo, et ses collègues ont mélangé deux types de monomères dérivés de produits naturels pouvant être décomposés par des micro-organismes présents dans l’eau. Lorsque la structure liée au monomère a été retirée et séchée, un plastique clair, incolore et de haute densité a été obtenu. En modifiant la structure d’un monomère, l’équipe a réussi à lui conférer différentes caractéristiques telles que la dureté et la résistance à la fois à la chaleur et à la force de traction. Les deux types de monomères sont comparables aux plastiques conventionnels et, une fois immergés dans l’eau salée, ils se décomposent en leurs monomères d’origine en quelques heures.
Ces deux types de monomères sont peu coûteux et, selon AIDA Takuzô, « ils sont suffisamment résistants pour être utilisés dans une grande variété d’applications ». Par ailleurs, toujours selon l’équipe de recherches, en plus de la capacité à se fondre dans l’eau de mer en quelques heures, les scientifiques ont constaté la capacité de ce « plastique supramoléculaire » à se dégrader dans la terre en quelques jours, tout en enrichissant le sol en azote et en phosphore.
Une avancée majeure vers des solutions durables et respectueuses de l’environnement, à l’heure où le comité de l’ONU réunit, à compter du 25 novembre 2024 pour une semaine, 175 pays à Pusan, en Corée du Sud, dans l’espoir d’entériner un accord essentiel sur la réduction de la pollution plastique à l’échelle mondiale.
Deux monomères ioniques, l’hexamétaphosphate de sodium ((NaPO3)6) et le sulfate de guanidinium, sont mélangés dans l’eau sans utiliser de solvants organiques. Ces deux types de monomères adhèrent l’un à l’autre dans l’eau grâce à des interactions électrostatiques (ponts salins), formant une structure réticulée. Ce mélange subit ensuite une séparation de phases, la structure réticulée créant une phase inférieure condensée et la phase aqueuse supérieure collectant les contre-ions inorganiques (Na+, SO42-) des monomères (dessalage). Lorsque la phase condensée de la structure réticulée séparée est séchée, un plastique supramoléculaire vitreux est obtenu. La structure réticulée ne se dissocie pas en matières premières à moins que du sel ne soit ajouté. ©RIKEN
Deux monomères ioniques, le sulfate de chondroïtine de sodium et le sulfate de guanidinium, ont été mélangés dans l’eau. Comme sur la figure 2, la séparation des phases s’est produite en une phase condensée de la structure réticulée et une phase aqueuse de contre-ions inorganiques. Le séchage de la phase condensée a donné un plastique supramoléculaire polysaccharide (en haut à droite). Il a une haute résistance à la traction et peut également être utilisé pour l’impression 3D (en bas à droite). ©RIKEN