由东京大学和日本理化学研究所(RIKEN)先进物质科学研究中心的相田卓三(Takuzo Aida)教授领导的研究团队，程逸人研修生，平野英司研修生和王豪研究生开发出一种新型超分子塑料，这种材料既耐用又环保，可在海水中降解。新型塑料不仅具有与传统塑料匹敌的强度，还具备可生物降解性，其最大特点是在海洋环境中能够分解。这一突破有望大幅减少海洋中有害微塑料的积累，保护生态环境，避免微塑料通过食物链进入人体。
传统塑料因不可持续性和对环境的危害，成为科学家们亟需解决的课题。虽然目前已有部分可回收或可生物降解塑料问世，但它们仍存在显著问题。例如，常见的可降解塑料如聚乳酸(PLA)，在进入海洋后难以降解，最终分解成小于5毫米的微塑料颗粒。这些颗粒不仅威胁海洋生物，也通过食物链影响人类健康。在最新研究中，相田团队着眼于利用超分子塑料解决这一难题。这类塑料由非共价连接的聚合物结构组成，研究团队通过将两种离子单体结合，创造出一种交联的盐桥超分子聚合物网络结构，赋予新型塑料强度和灵活性。初步实验中，研究团队使用了六偏磷酸钠与几种基于胍盐阳离子的单体。值得注意的是，这两种单体可被细菌代谢，使塑料在分解成基本成分后具备完全生物降解性。“虽然传统上认为超分子塑料的可逆键会导致材料性能不稳定，但我们的新材料恰恰相反。”相田解释道。他们的新型塑料中的盐桥结构在正常情况下具有不可逆性，只有暴露于含电解质的海水中时才会解构。研究团队的关键发现在于，如何精确构建这种选择性不可逆的交联结构。研究过程中，两种单体在水中混合后，形成了液体-液体相分离：一种是富含交联盐桥超分子聚合物网络的粘稠液体，另一种是包含被排除的反离子的溶液。例如，当六偏磷酸钠和烷基二胍盐酸盐混合时，液体-液体相分离瞬间发生。副产物硫酸根离子和钠离子被排除在水溶液中。而粘稠液体经过干燥后形成了最终的塑料——“SP”。“脱盐”过程是制造成功的关键步骤。如果省略脱盐，所得材料为脆性晶体，无法实际使用。而当塑料重新接触盐水时，其交联结构迅速解构，数小时内便可被完全分解。这使得研究团队能够创造出一种既强韧耐用，又可在特定条件下分解的环保塑料。图1.通过液液相分离（LLPS）脱盐实现的不可逆超分子聚合新型塑料具有与热固性塑料媲美的杨氏模量，并且可在120 °C以上被重塑。传统小分子通过非共价键作用组装形成的超分子聚合物往往只呈现出两种状态—硬脆和软黏，不具备聚合物类似的流变学行为。本课题首次发现并通过VFT和WLF方程共同验证，高物理交联密度的超分子聚合物也具有高分子类似的流变学行为，这对于人们对超分子聚合物的理解有着深远的影响。此外，研究团队还使用多糖与胍盐单体形成交联盐桥，开发出一种专为海洋降解设计的塑料。这类塑料在医疗、健康相关领域以及3D打印中具有广阔应用前景。在回收实验中，研究团队将塑料溶解于盐水后，成功回收了91%的六偏磷酸钠和82%的胍盐单体，表现出极高的回收效率。图4. SPs的可回收可降解特性及其向基于多糖的SPs（ChSPs）的应用扩展“我们创造了一种全新的塑料家族，这种材料既强韧稳定，又可回收、多功能，最重要的是不会产生微塑料污染。”相田表示。
表1 SPs 和ChSPs特征性能数据。
本研究开发的交联超分子聚合物（SPs）是一种无，透明，非易燃且机械强度高的高密度（~1.6 g/cm³）超分子塑料，其表现出与传统塑料类似的聚合物松弛行为。这种超分子聚合物通过液液相分离（LLPS）驱动的脱盐工艺从单体组分通过盐桥交连而成，并且可以通过重新加盐轻松回收，实现循环经济。这些超分子聚合物，包括基于多糖的ChSPs，不会产生微塑料，因为它们在电解质作用下分解为单体组分，而这些单体可以在生物相关条件下被微生物代谢。此外，SPs、ChSPs及其单体总体上表现出低致突变潜力。展望未来，进一步深入理解超分子聚合物的特性，预计将在基础科学研究和实际应用中取得重要进展。本研究成果是探索能够补充传统塑料的新型材料的关键一步，这些材料在减缓全球变暖、实现可持续未来方面具有重要潜力。本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）特别推进研究项目“超分子聚合物的固体材料科学与应用”（研究负责人：相田卓三，项目编号：23H05408），TRIP青年案例高分子化学研究项目，以及战略性伙伴合作事业（理化学研究所与埃因霍温理工大学的国际合作项目）的资助支持。程逸人研修生受到了日本学术振兴会（JSPS）研究奖学金的资金支持。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
