Ракушки вдохновляют на лучший способ переработки пластика

Исследователи из Технологического института Джорджии создали материал, вдохновленный морскими ракушками, чтобы помочь усовершенствовать процесс переработки пластика и сделать получаемый материал более надежным.

Созданные ими структуры значительно снизили разброс механических свойств, характерный для переработанного пластика. Их продукт также сохранил эксплуатационные характеристики исходных пластиковых материалов.

Исследователи заявили, что их биотехнологическая разработка может помочь сократить затраты на производство первичных упаковочных материалов почти на 50% и обеспечить потенциальную экономию в сотни миллионов долларов. Кроме того, поскольку из 350 миллионов тонн пластика, производимого ежегодно, эффективно перерабатывается менее 10%, подход Технологического института Джорджии может предотвратить попадание пластика на свалки.

Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) под руководством доцента кафедры аэрокосмической техники  Христоса Атанасиу .

Почему пластик так редко перерабатывается? И если он перерабатывается, почему его нельзя широко использовать повторно? 

Переработанный пластик — это не первозданный материал, а хаотичное смешение прошлых жизней. Каждая бутылка, пакет и обёртка имеют свою историю добавок, стресса и деградации. Когда мы перерабатываем их механически, переплавляя, мы получаем материал, который прочнее первичного пластика и совершенно непредсказуем. Непредсказуемость — это то, что рушит всё. 

Вот почему переработанный пластик редко используется в изделиях, требующих прочности, безопасности или стабильности, таких как строительные материалы, автомобильные компоненты или беспилотные средства доставки. На них просто нельзя положиться.

Почему структура ракушки может дать подсказки для усовершенствования? 

Природа не очищает. Она организует. 

Ракушки, как и перламутр, состоят из хрупких минералов, склеенных мягкими белками. Они не безупречны, но прочны. Секрет кроется в архитектуре: твёрдые «кирпичи», соединённые мягким «раствором», создают систему, рассеивающую энергию и предотвращающую разрушение. Это принципиально иная философия проектирования, нежели то, как мы обычно проектируем материалы, где однородность и чистота — залог надёжности. 

Природа принимает изменчивость и делает её управляемой посредством структуры. Мы позаимствовали это понимание.

Что вы создали и как вы это тестировали? 

Мы взяли нарезанные листы переработанного полиэтилена высокой плотности (HDPE) — того же пластика, который используется в промышленной стретч-плёнке, — и собрали их в многослойные композиты, вдохновлённые ракушками. Представьте себе структуру из синтетического перламутра: жёсткие пластиковые «кирпичи», соединённые более мягким «раствором» из коммерческого клеевого полимера, разработанного для поглощения напряжений и предотвращения разрушений.

Для тестирования мы разобрали эти биоинспирированные конструкции с помощью специально изготовленной механической установки. Мы фиксировали их поведение в режиме реального времени: от начальной деформации до появления трещин, их распространения и окончательного разрушения. 

Затем мы разработали новую модель — первую в своём роде модель цепи сдвига при растяжении, учитывающую неопределённость. Вместо того чтобы просто оценивать жёсткость и прочность материала, наша модель также давала меру уверенности в его надёжности при растяжении. 

Каковы были результаты?

Мы снизили разброс максимального удлинения — ключевого показателя механических характеристик — более чем на 68%. Обычно переработанные пластики обладают разными механическими характеристиками. Наши структурированные композиты показали себя стабильными. Это ключевое требование для любого реального применения. 

Другими словами: мы построили конструкцию, которой вы можете доверять, используя материалы, которым вы обычно не можете доверять.

Стретч-плёнка HDPE — это прозрачный материал для упаковки товаров, уложенных на поддоны. Разве она не может выполнять ту же функцию после переработки? 

Не совсем. Стретч-плёнка должна быть одновременно прочной и гибкой. Но под воздействием солнечного света, нагрузки и тепла её молекулярная структура меняется. Перерабатывать её бездумно — всё равно что повторно использовать парашют, не проверив его на наличие разрывов. Наша биотехнологическая разработка не просто повторно использует пластик, но и восстанавливает его надёжность, делая возможным высокоэффективное повторное использование.

Вы учитесь в Школе аэрокосмической инженерии. Эта работа, похоже, не связана с самолётами, ракетами или космосом. Какая связь? 

Проектирование аэрокосмических систем нового поколения требует междисциплинарного мышления и выхода за рамки традиционных материалов. Например, одна из важнейших задач космической инженерии — создание конструкций, устойчивых к разрушению в непредсказуемых, экстремальных условиях. Будь то многоразовая деталь ракеты или убежище на Марсе, нам нужны материалы, устойчивые к повреждениям на протяжении всего жизненного цикла. 

Наше исследование PNAS решает фундаментальную проблему механики: как построить надёжные конструкции из ненадёжных материалов? Это не просто вопрос переработки. Это вопрос будущего космоса.

Что дальше? 

Мы масштабируем этот подход для работы с более широким спектром переработанного пластика, сочетая его с более экологичными биоклеями, чтобы сделать всю конструкцию более устойчивой. Одновременно мы изучаем, как эта стратегия может способствовать строительству вне Земли, где переработка и повторное использование материалов являются необходимостью. Например, программа NASA Lunar Recycling Challenge указывает на будущее, в котором отходы станут основой выживания.

Источник: https://coe.gatech.edu/news/2025/08/seashells-inspire-better-way-recycle-plastic