劳伦斯·伯克利国家实验室 布雷特·赫尔姆斯，前景，摄于2019年在分子铸造厂工作
学分:索尔·斯威夫特/伯克利实验室 塑料几乎是我们日常使用的每一种产品的一部分
美国的普通人
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每年产生大约100公斤的塑料垃圾，其中大部分直接被填埋
劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科琳·斯考恩、布雷特·赫尔姆斯、杰伊·凯斯林和克里斯汀·佩尔松领导的团队着手改变这一现状
不到两年前，赫尔姆斯宣布发明一种新塑料，可以正面解决垃圾危机
这种被称为聚(二酮胺)或PDK的材料具有传统塑料的所有便利特性，同时避免了环境隐患，因为与传统塑料不同，聚二甲基硅氧烷可以无限期回收，不会造成质量损失
现在，该团队已经发布了一项研究，表明如果制造商开始大规模使用聚二甲基硅氧烷，可以取得什么成就
底线？PDK的塑料可能很快在商业上与传统塑料竞争，随着时间的推移，产品将变得更便宜，更可持续
“塑料从来就不是为回收而设计的
这份报告的第一作者、曾与资深作者科林·斯考恩合作的前博士后尼米·沃拉解释说
“但推动可持续发展是这个项目的核心
PDKs的设计是从一开始就可以回收，从一开始，该团队就致力于为PDK改进生产和回收流程，使这种材料既便宜又容易，可以在从包装到汽车的任何产品中进行商业规模的应用
" 该研究模拟了一个年产20，000公吨的工厂，该工厂生产新的聚二甲基硅氧烷，并接收用过的PDK废物进行回收
作者计算了所需的化学投入和技术，以及成本和温室气体排放，然后将他们的发现与传统塑料生产的同等数字进行了比较
“如今，行业内大力推行循环经济
每个人都在努力回收他们投放市场的任何东西，”福拉说
“我们开始与业界讨论部署100%无限回收塑料，并引起了广泛关注
" “问题是它将花费多少，对能源使用和排放会有什么影响，以及如何从我们今天的位置到达那里，”伯克利实验室分子铸造厂的科学家赫尔姆斯补充道
“我们合作的下一个阶段是回答这些问题
" 一张显示PDK塑料在酸性溶液中容易分解的照片
这种酸有助于打破单体之间的键，并将它们与赋予塑料外观和感觉的化学添加剂分开
学分:彼得·克里斯滕森/伯克利实验室 检查盒子便宜又容易 迄今为止，超过8个
已经生产了30亿公吨的塑料材料，其中绝大多数最终被填埋或垃圾焚烧厂处理
一小部分塑料被送去“机械”回收，这意味着它们被熔化，然后重新成型为新产品
然而，这种技术的好处有限
塑料树脂本身是由许多相同的分子(称为单体)结合在一起形成长链(称为聚合物)
然而，为了赋予塑料许多纹理、颜色和性能，在树脂中加入了颜料、热稳定剂和阻燃剂等添加剂
当许多塑料熔化在一起时，这些聚合物与一系列潜在的不相容添加剂混合在一起，导致新材料的质量比新生产的原料树脂低得多
因此，不到10%的塑料被不止一次地机械回收，而回收的塑料通常还包含原始树脂，以弥补质量的下降
PDK塑料公司完全回避了这个问题——这种树脂聚合物在与酸混合时很容易分解成单个单体
然后单体可以从任何添加剂中分离出来，并被收集起来制造新的塑料，而不会有任何质量损失
该团队的早期研究表明，这种“化学回收”过程对能源和二氧化碳排放影响不大，而且可以无限期重复，创造了一个完全循环的材料生命周期，目前存在单向的浪费
然而，尽管有这些不可思议的特性，要真正在自己的游戏中击败塑料，掌上电脑也需要方便
回收传统的石油基塑料可能很难，但制造新塑料非常容易
“我们谈论的是基本上不可回收的材料，”斯考恩说
“因此，就对制造商的吸引力而言，聚二甲基硅氧烷并不与回收塑料竞争——它们必须与原始树脂竞争
我们真的很高兴看到回收材料的成本和效率
" 斯考恩是伯克利实验室能源技术和生物科学领域的科学家，专门研究新兴技术对未来环境和金融的影响
斯考恩和她的团队从一开始就一直致力于PDK项目，帮助赫尔姆斯的化学家和制造科学家小组选择原材料、溶剂、设备和技术，从而生产出最实惠、最环保的产品
“我们正在采用早期技术，并使用不同的投入和技术来设计它在商业规模运营时的样子，”她说
这种独特的协作建模过程使伯克利实验室的科学家能够识别潜在的放大挑战，并在没有昂贵的试错周期的情况下进行过程改进
该小组的报告发表在《科学进展》，根据塑料目前的发展状况，建立了一个商业规模的PDK生产和回收管道模型
“主要的收获是，一旦你最初生产了PDK，并将其纳入系统，与继续将其回收为单体和制造新产品相关的成本和温室气体排放可能会低于，或至少与许多传统聚合物持平，”斯考恩说
计划推出 由于工艺建模的优化，回收的聚二甲基硅氧烷已经引起了需要采购塑料的公司的兴趣
赫尔姆斯和他的同事总是着眼于未来，从项目的早期就一直在进行市场研究，并与业界人士会面
他们的研究表明，PDK的最佳初始应用是制造商将在生命周期结束时收回产品的市场，如汽车行业(通过折价物和回收)和消费电子产品(通过电子垃圾项目)
这些公司将能够在他们的产品中获得100%可回收产品设计包的好处:可持续的品牌和长期的节约
“有了PDK，现在工业界的人们有了选择，”赫尔姆斯说
“我们引入了一些合作伙伴，他们在产品线和制造能力中构建循环，并为他们提供了一个符合未来最佳实践的选项
" 斯考恩补充道:“我们知道在那个层面上有兴趣
一些国家计划对依赖非回收材料的塑料产品收取高额费用
这一转变将提供强大的财政激励，促使人们放弃使用原始树脂，并推动对再生塑料的大量需求
" 在打入汽车和电子产品等耐用产品市场后，该团队希望将掌上电脑扩展到包装等寿命较短的一次性商品
一个完整的未来 在他们制定商业发射计划的同时，科学家们也在继续他们在PDK生产过程中的技术经济合作
尽管回收PDK的成本已经被预测为具有竞争力的低水平，但科学家们正致力于进一步的改进，以降低维珍PDK的成本，这样公司就不会被最初的投资价格所吓倒
和往常一样，科学家们同时领先两步
斯考恩是联合生物能源研究所(JBEI)生命周期、经济学和农学部的副总裁，他和赫尔姆斯正与加州大学伯克利分校伯克利实验室的领先合成生物学家兼JBEI首席执行官杰伊·凯斯林(Jay Keasling)合作，设计一种利用微生物制造的前体成分生产PDK聚合物的工艺
该工艺目前使用工业化学品，但由于一次偶然的跨学科研讨会，最初设计时考虑到了凯斯林的微生物
“在我们开始PDK项目前不久，我参加了一个研讨会，杰伊在会上描述了他们可以用工程微生物在日本生物工程研究所制造的所有分子，”赫尔姆斯说
“我非常兴奋，因为我看到有些分子是我们放在pdk里的东西
杰伊和我聊了几句，我们意识到几乎整个聚合物都可以用工程微生物发酵的植物材料制成
" “在未来，我们将引入生物成分，这意味着我们可以开始理解从传统原料向独特且可能有利的生物基原料转变的影响，这些原料在生产和回收的能源、碳或水强度的基础上可能更具长期可持续性，”赫尔姆斯继续说道
“所以，我们现在所处的位置，是许多步骤的第一步，我认为我们面前有一条很长的跑道，这很令人兴奋
"
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