Nelle notizie sulla scienza dei materiali, un interessante sviluppo di una collaborazione di ricercatori potrebbe aver risolto il crescente problema delle microplastiche nell’ambiente.

Le microplastiche, microscopiche particelle di plastica che si trovano nell’aria, nell’acqua e nel suolo, rappresentano un grave problema di inquinamento e sono state identificate nel sangue di animali e persone in tutto il mondo.

In alcune circostanze, secondo il Agenzia europea per le sostanze chimiche, alcune microplastiche vengono introdotte di proposito in prodotti chimici per l’agricoltura, vernici, cosmetici e detergenti. A tal fine, la Unione europea (UE) ha imposto l’eliminazione delle microplastiche non biodegradabili entro il 2025.

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Si cerca quindi di trovare sostituti validi.

Dopo anni di ricerche, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e altri scienziati hanno ideato un dispositivo a base di seta che potrebbe essere economico e facile da realizzare. Il nuovo approccio è descritto in uno studio del MIT scritto dal postdoc Muchun Liu, dal professore del MIT Benedetto Marelli e da altre cinque persone della BASF in Germania e negli Stati Uniti.

Perché le microplastiche vengono aggiunte ai prodotti?

Le microplastiche utilizzate negli articoli industriali proteggono le sostanze chimiche attive dall’aria e dall’umidità fino a quando non sono necessarie. Rilasciano lentamente il componente attivo nel tempo per ridurre al minimo gli effetti collaterali. Anche i pesticidi e gli erbicidi sono racchiusi in microcapsule. Oggi la microincapsulazione utilizza polimeri resistenti.

Finora non è mai stato sviluppato un sostituto biodegradabile valido ed economico.

Gran parte del peso delle microplastiche nell’ambiente deriva dal deterioramento di bottiglie e contenitori e dall’usura dei pneumatici. Marelli ha detto che ogni fonte potrebbe richiedere un metodo per ridurre la diffusione. L’Agenzia Chimica Europea stima che le microplastiche aggiunte di proposito rappresentino il 10-15% della quantità complessiva nell’ambiente. Tuttavia, questa fonte potrebbe essere più facile da eliminare utilizzando questo sostituto biodegradabile.

microplastiche ambiente
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“Non possiamo risolvere l’intero problema delle microplastiche con una soluzione che vada bene per tutti”, ha spiegato Marelli. “Il dieci per cento di un grande numero è sempre un grande numero. … Risolveremo il cambiamento climatico e l’inquinamento del mondo un punto percentuale alla volta”, ha aggiunto.

La seta potrebbe essere l’alternativa perfetta alle microplastiche

Secondo Liu, la proteina della seta utilizzata nel nuovo materiale alternativo è facilmente disponibile e meno costosa. Per questo utilizzo, si possono usare bozzoli di qualità non tessile e le fibre di seta possono essere dissolte con una tecnica scalabile a base di acqua. La tecnica è così semplice e personalizzabile che il materiale prodotto può essere adattato alle attuali attrezzature di produzione, offrendo una soluzione “drop-in” utilizzando le fabbriche esistenti.

La seta è innocua e si degrada naturalmente nel corpo, rendendola adatta all’uso alimentare o medico. Nei test di laboratorio, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale di rivestimento a base di seta poteva essere utilizzato nei macchinari di produzione a spruzzo esistenti per produrre un prodotto erbicida microincapsulato solubile in acqua, che è stato poi testato su una coltura di mais in una serra. Liu ritiene che abbia funzionato meglio di un trattamento commerciale, causando meno danni alle piante.

Altri ricercatori hanno proposto materiali incapsulanti degradabili che potrebbero funzionare in laboratorio, ma Marelli ritiene che per l’applicazione commerciale siano necessari principi attivi ad alto contenuto. L’unico modo per avere un impatto è sostituire un polimero sintetico con uno biodegradabile, mantenendo o migliorando le prestazioni.

Liu afferma che la sintonizzazione della seta la rende compatibile con le apparecchiature esistenti. Modificando le configurazioni delle catene polimeriche dei materiali di seta e aggiungendo un tensioattivo, è possibile regolare con precisione le caratteristiche del rivestimento. Il materiale può essere idrofobo (respinge l’acqua) anche se viene prodotto e lavorato in acqua, idrofilo (attrae l’acqua) o una via di mezzo. Può essere realizzato in modo da corrispondere alle qualità del materiale che va a sostituire.

microplastica cattiva
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Liu ha dovuto progettare un meccanismo per congelare le gocce in via di sviluppo di materiali incapsulati per esaminarne la creazione. Ha utilizzato una tecnologia di congelamento a spruzzo per esaminare l’incapsulamento e gestirlo meglio. Alcuni elementi “payload” incapsulati, come insetticidi, nutrienti o enzimi, sono solubili in acqua e interagiscono in modo diverso con il rivestimento.

“Per incapsulare materiali diversi, dobbiamo studiare come interagiscono le catene polimeriche e se sono compatibili con i diversi materiali attivi in sospensione”, ha spiegato l’autrice.

In una soluzione, il carico utile e il rivestimento vengono spruzzati. Quando le gocce si sviluppano, il carico utile viene incapsulato in un guscio rivestito, che sia plastica sintetica o seta.

Liu sostiene che il nuovo processo può utilizzare seta di bassa qualità che di solito viene sprecata perché non ha alcun utilizzo. Può anche utilizzare la seta usata, sottraendola alle discariche.

La Cina produce il 90% della seta mondiale perché ha perfezionato fili di seta di alta qualità, aggiunge Marelli. Poiché questo approccio impiega seta sfusa e non richiede una qualità di questo tipo, la produzione potrebbe essere semplicemente incrementata in altre regioni del mondo per soddisfare la domanda locale.

“Questo studio elegante e intelligente descrive un sostituto sostenibile e biodegradabile a base di seta per gli incapsulanti microplastici, che rappresentano una sfida ambientale urgente”, afferma Alon Gorodetsky, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso l’Università della California a Irvine, che non è stato associato a questa ricerca.

produzione di seta
Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) di incapsulanti a base di seta per varie applicazioni. Fonte: Muchun Liu et al/MIT News

“La modularità dei materiali descritti e la scalabilità dei processi di produzione sono vantaggi fondamentali che fanno ben sperare per la traduzione in applicazioni reali”, ha aggiunto.

Questo processo “rappresenta un progresso potenzialmente molto significativo nella fornitura di ingredienti attivi per una serie di settori, in particolare quello agricolo”, afferma Jason White, direttore della Connecticut Agricultural Experiment Station, che non è stato associato a questo lavoro. “Date le sfide attuali e future legate all’insicurezza alimentare, alla produzione agricola e ai cambiamenti climatici, strategie innovative come questa sono estremamente necessarie”.

Il team di ricerca comprendeva anche Pierre-Eric Millard, Ophelie Zeyons, Henning Urch, Douglas Findley e Rupert Konradi dell’azienda BASF in Germania e negli Stati Uniti. BASF ha sostenuto il lavoro attraverso la Northeast Research Alliance (NORA).

Estratto dello studio:

Esiste un’esigenza impellente in diversi settori industriali di sostituire le microplastiche non degradabili e aggiunte intenzionalmente con alternative biodegradabili. Tuttavia, i severi criteri di prestazione nel rilascio controllato degli attivi e nella produzione su scala di materiali emergenti ostacolano la sostituzione dei polimeri utilizzati per la fabbricazione di microplastiche con quelli circolari. Qui gli autori dimostrano che il microincapsulamento attivo in una proteina strutturale come la fibroina di seta può essere ottenuto modulando la protonazione della proteina e il rilassamento della catena nel punto di assemblaggio del materiale. Le dimensioni delle micelle di fibroina di seta possono essere regolate da alcuni a centinaia di nanometri, consentendo la produzione – attraverso l’adattamento delle tecniche di essiccazione a spruzzo e di liofilizzazione a spruzzo – di microcapsule con morfologia e struttura regolabili, ossia matrici cave-spugnose, cave-lisce, cave-accartocciate e cave-accartocciate multidominio. La cinetica di degradazione delle microcapsule e il rilascio prolungato di carichi utili solubili e insolubili, tipicamente utilizzati in applicazioni cosmetiche e agricole, sono controllati modulando il contenuto di fogli beta della fibroina dal 20% a quasi il 40%. Studi a raggi ultravioletti indicano che il rilascio a raffica di un erbicida comunemente utilizzato (es, saflufenacil) diminuisce significativamente dal 25% allo 0,8% grazie alla microincapsulazione con fibroina di seta. Come prova di concetto per le applicazioni agrochimiche, una prova in serra di 6 giorni ha dimostrato che saflufenacil somministrato alle piante di mais tramite microcapsule di seta riduce il danno alle colture rispetto alla versione non incapsulata”.

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