ไมโครพลาสติก อนุภาคขนาดเล็กของพลาสติกที่พบทั่วโลกในอากาศ น้ำ และดิน ได้รับการยอมรับมากขึ้นว่าเป็นภัยคุกคามด้านมลพิษที่ร้ายแรง และพบได้ในกระแสเลือดของสัตว์และผู้คนทั่วโลก
ไมโครพลาสติกเหล่านี้บางชนิดถูกเติมเข้าไปในผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายโดยเจตนา รวมถึงสารเคมีทางการเกษตร สี เครื่องสำอาง และผงซักฟอก ซึ่งคิดเป็นปริมาณประมาณ 50,000 ตันต่อปีในสหภาพยุโรปเพียงแห่งเดียว อ้างจาก European Chemicals Agency สหภาพยุโรปได้ประกาศแล้วว่าจะต้องกำจัดไมโครพลาสติกที่ไม่สามารถย่อยสลายได้เหล่านี้เพิ่มเหล่านี้ภายในปี 2568 ดังนั้นจึงมีการค้นหาวัสดุทดแทนที่เหมาะสมซึ่งปัจจุบันยังไม่มีอยู่
ตอนนี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์ของ MIT และที่อื่นๆ ได้พัฒนาระบบที่ใช้ไหมซึ่งสามารถจัดหาวัสดุทดแทนที่มีราคาไม่แพงและผลิตได้ง่าย กระบวนการใหม่นี้อธิบายไว้ในบทความในวารสารSmallซึ่งเขียนโดย MIT postdoc Muchun Liu ศาสตราจารย์ MIT ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม Benedetto Marelli และอีก 5 คนจากบริษัทเคมี BASF ในเยอรมนีและสหรัฐอเมริกา
ไมโครพลาสติกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมมักปกป้องสารออกฤทธิ์บางอย่าง (หรือส่วนผสม) จากการถูกย่อยสลายโดยการสัมผัสอากาศหรือความชื้น จนกว่าจะถึงเวลาที่ต้องการ พวกเขาให้การปลดปล่อยสารออกฤทธิ์ช้าในช่วงเวลาที่กำหนดและลดผลกระทบต่อสภาพแวดล้อม ตัวอย่างเช่น วิตามินมักจะถูกส่งในรูปแบบของไมโครแคปซูลที่บรรจุในยาเม็ดหรือแคปซูล และยาฆ่าแมลงและสารกำจัดวัชพืชก็ถูกห่อหุ้มในทำนองเดียวกัน แต่วัสดุที่ใช้ในปัจจุบันสำหรับไมโครแคปซูลดังกล่าวเป็นพลาสติกที่คงอยู่ในสิ่งแวดล้อมเป็นเวลานาน จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีสารทดแทนที่ใช้งานได้จริงและประหยัดที่สามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ
ภาระของไมโครพลาสติกในสิ่งแวดล้อมส่วนใหญ่มาจากแหล่งอื่นๆ เช่น การเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไปของวัตถุพลาสติกขนาดใหญ่ เช่น ขวดและบรรจุภัณฑ์ และจากการสึกหรอของยางรถยนต์ แหล่งที่มาแต่ละแห่งเหล่านี้อาจต้องการวิธีแก้ปัญหาแบบของตัวเองเพื่อลดการแพร่กระจาย Marelli กล่าว สำนักงานเคมีแห่งยุโรป (European Chemical Agency) คาดการณ์ว่าไมโครพลาสติกที่เติมโดยเจตนาจะคิดเป็นประมาณ 10-15 เปอร์เซ็นต์ของปริมาณทั้งหมดในสภาพแวดล้อม แต่แหล่งที่มานี้อาจแก้ไขได้ง่ายโดยใช้สารทดแทนที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพตามธรรมชาตินี้ เขากล่าว
“เราไม่สามารถแก้ปัญหาไมโครพลาสติกทั้งหมดได้ด้วยวิธีการเดียวที่เหมาะกับพวกเขาทั้งหมด” เขากล่าว “สิบเปอร์เซ็นต์ของจำนวนมากยังคงเป็นจำนวนที่มาก … เราจะแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและมลภาวะของโลกครั้งละหนึ่งเปอร์เซ็นต์”
Liu กล่าวว่าโปรตีนไหมที่ใช้ในวัสดุทางเลือกใหม่นี้แตกต่างจากไหมคุณภาพสูงที่ใช้กับผ้าเนื้อดี ซึ่งมีจำหน่ายทั่วไปและมีราคาไม่แพง แม้ว่ารังไหมจะต้องค่อยๆ คลายออกอย่างระมัดระวังเพื่อผลิตเส้นไหมละเอียดที่จำเป็นสำหรับผ้า สำหรับการใช้งานนี้ สามารถใช้รังไหมคุณภาพที่ไม่ใช่สิ่งทอได้ และเส้นใยไหมสามารถละลายได้ง่ายๆ โดยใช้กระบวนการที่ใช้น้ำที่ปรับขนาดได้ การประมวลผลนั้นเรียบง่ายและปรับแต่งได้มากจนสามารถปรับวัสดุที่ได้ให้เข้ากับอุปกรณ์การผลิตที่มีอยู่ได้ ซึ่งอาจให้วิธีการ “ดรอปอิน” อย่างง่ายโดยใช้โรงงานที่มีอยู่
ไหมได้รับการยอมรับว่าปลอดภัยสำหรับอาหารหรือการใช้ทางการแพทย์ เนื่องจากไม่เป็นพิษและย่อยสลายตามธรรมชาติในร่างกาย ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุเคลือบที่ทำจากไหมสามารถนำมาใช้ในอุปกรณ์การผลิตที่ใช้สเปรย์มาตรฐานที่มีอยู่แล้ว เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์สารกำจัดวัชพืชไมโครแคปซูลที่ละลายน้ำได้มาตรฐาน ซึ่งได้รับการทดสอบในเรือนกระจกบนพืชข้าวโพด การทดสอบแสดงให้เห็นว่ามันทำงานได้ดีกว่าผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ ซึ่งสร้างความเสียหายให้กับพืชน้อยลง Liu กล่าว
ในขณะที่กลุ่มอื่นๆ ได้เสนอวัสดุห่อหุ้มที่ย่อยสลายได้ซึ่งอาจทำงานในระดับห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก Marelli กล่าวว่า “มีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องบรรลุการห่อหุ้มสารออกฤทธิ์ที่มีเนื้อหาสูงเพื่อเปิดประตูสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์ วิธีเดียวที่จะสร้างผลกระทบได้ก็คือ เราไม่เพียงแต่สามารถแทนที่โพลีเมอร์สังเคราะห์ด้วยวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเท่านั้น แต่ยังบรรลุประสิทธิภาพที่เหมือนกันอีกด้วย ถ้าไม่ดีขึ้น”
หลิวอธิบายเคล็ดลับในการทำให้วัสดุเข้ากันได้กับอุปกรณ์ที่มีอยู่ อยู่ที่ความสามารถในการปรับแต่งวัสดุไหม ด้วยการปรับการจัดเรียงสายโซ่โพลีเมอร์อย่างแม่นยำของวัสดุไหมและการเติมสารลดแรงตึงผิว ทำให้สามารถปรับคุณสมบัติของสารเคลือบที่ได้เมื่อแห้งและแข็งตัว วัสดุสามารถไม่ชอบน้ำ (กันน้ำ) แม้ว่าจะทำและแปรรูปในสารละลายน้ำ หรืออาจเป็นน้ำ (ดึงดูดน้ำ) หรือที่ใดก็ได้ในระหว่างนั้น และสำหรับการใช้งานที่กำหนด สามารถทำได้เพื่อให้ตรงกับ คุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ทดแทน
เพื่อที่จะได้แนวทางปฏิบัติ หลิวต้องพัฒนาวิธีการแช่แข็งหยดของวัสดุที่ห่อหุ้มในขณะที่ก่อตัวขึ้น เพื่อศึกษากระบวนการก่อตัวในรายละเอียด เธอทำเช่นนี้โดยใช้ระบบแช่แข็งแบบพ่นฝอยพิเศษ และสามารถสังเกตได้อย่างชัดเจนว่าการห่อหุ้มแคปซูลทำงานอย่างไรเพื่อควบคุมได้ดียิ่งขึ้น วัสดุ “น้ำหนักบรรทุก” ที่ห่อหุ้มบางส่วน ไม่ว่าจะเป็นยาฆ่าแมลง สารอาหาร หรือเอนไซม์ ละลายน้ำได้และบางชนิดไม่ละลาย และมีปฏิกิริยากับวัสดุเคลือบในรูปแบบต่างๆ
“ในการห่อหุ้มวัสดุที่แตกต่างกัน เราต้องศึกษาว่าสายโซ่โพลีเมอร์มีปฏิสัมพันธ์อย่างไร และเข้ากันได้กับวัสดุที่ออกฤทธิ์ต่างกันในระบบกันสะเทือนหรือไม่” เธอกล่าว วัสดุน้ำหนักบรรทุกและวัสดุเคลือบจะถูกผสมเข้าด้วยกันในสารละลายแล้วพ่น เมื่อเกิดเป็นหยดน้ำ น้ำหนักบรรทุกมักจะถูกฝังอยู่ในเปลือกของวัสดุเคลือบ ไม่ว่าจะเป็นพลาสติกสังเคราะห์ดั้งเดิมหรือวัสดุไหมใหม่
วิธีการใหม่นี้สามารถใช้ประโยชน์จากผ้าไหมคุณภาพต่ำซึ่งใช้ไม่ได้กับเนื้อผ้า และในปัจจุบันมีปริมาณมากที่ทิ้งไปเนื่องจากไม่มีการใช้งานที่สำคัญ Liu กล่าว นอกจากนี้ยังสามารถใช้ผ้าไหมที่ใช้แล้วทิ้งเพื่อเปลี่ยนเส้นทางวัสดุนั้นจากการทิ้งในหลุมฝังกลบ
Marelli กล่าว ปัจจุบัน 90% ของการผลิตผ้าไหมของโลกเกิดขึ้นในประเทศจีน แต่ส่วนใหญ่เป็นเพราะจีนได้พัฒนาการผลิตเส้นไหมคุณภาพสูงที่จำเป็นสำหรับผ้า แต่เนื่องจากกระบวนการนี้ใช้ไหมจำนวนมากและไม่จำเป็นต้องมีคุณภาพระดับนั้น การผลิตจึงสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างง่ายดายในส่วนอื่นๆ ของโลก เพื่อตอบสนองความต้องการในท้องถิ่น หากกระบวนการนี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย เขากล่าว
Alon Gorodetsky รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลจาก University of California at Irvine กล่าวว่า “การศึกษาที่สง่างามและชาญฉลาดนี้อธิบายถึงการทดแทนด้วยไหมที่ยั่งยืนและสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพสำหรับสารห่อหุ้มไมโครพลาสติก ซึ่งเป็นความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมที่เร่งด่วน” Alon Gorodetsky รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียแห่งเออร์ไวน์กล่าว ที่เกี่ยวข้องกับการวิจัยครั้งนี้ “โมดูลของวัสดุที่อธิบายไว้และความสามารถในการปรับขนาดของกระบวนการผลิตเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญซึ่งมีความหมายที่ดีสำหรับการแปลสู่การใช้งานจริง”
เจสัน ไวท์ ผู้อำนวยการสถานีทดลองทางการเกษตรแห่งคอนเนตทิคัต กล่าวว่า กระบวนการนี้แสดงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญอย่างมากในการส่งมอบส่วนผสมออกฤทธิ์สำหรับอุตสาหกรรมต่างๆ โดยเฉพาะการเกษตร “ด้วยความท้าทายในปัจจุบันและอนาคตที่เกี่ยวข้องกับความไม่มั่นคงด้านอาหาร การผลิตทางการเกษตร และสภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลง กลยุทธ์ใหม่เช่นนี้จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง”
ทีมวิจัยยังรวมถึง Pierre-Eric Millard, Ophelie Zeyons, Henning Urch, Douglas Findley และ Rupert Konradi จากบริษัท BASF ในเยอรมนีและในสหรัฐอเมริกา งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก BASF ผ่าน Northeast Research Alliance (NORA)
