塑料污染是全球日益严重的问题，但圣路易斯华盛顿大学的科学家从叶片结构中获取灵感，通过创造新型生物塑料LEAFF迈出了突破性一步。该创新材料利用纤维素纳米纤维增强强度、功能性和生物可降解性，性能超越传统塑料。其可在室温下降解、抗空气和水渗透、支持表面印刷，为可持续包装领域提供了颠覆性解决方案。
作为回应，研究人员一直在开发传统塑料的可生物降解版本，即“生物塑料”。然而，当前的生物塑料也面临挑战：现有版本不如石化基塑料坚固，并且它们只能通过高温堆肥系统降解。
圣路易斯华盛顿大学的研究人员解决了这两个问题，他们的灵感来自不起眼的树叶。在塑料出现之前很久，人类就用树叶包裹食物，树叶因其富含纤维素的细胞壁基础结构而易于生物降解。华盛顿大学的化学工程师决定在生物塑料的设计中引入纤维素纳米纤维。
“我们创建了这种多层结构，纤维素位于中间，生物塑料位于两侧，”麦凯维工程学院能源、环境与化学工程系的Lucy和Stanley Lopata教授兼系主任Joshua Yuan说。Yuan同时也是美国国家科学基金会资助的“生物制造碳利用再设计（CURB）工程研究中心”主任。“通过这种方式，我们创造了一种非常坚固且具有多功能性的材料，”他补充道。
该技术源于对当今两种产量最高的生物塑料的研究。在今年早些时候发表于《绿色化学》的一项研究中，Yuan及其同事使用他们受树叶启发的纤维素纳米纤维结构的变体，提高了淀粉基塑料——聚羟基丁酸酯（PHB）的强度和生物降解性；他们进一步改进了针对聚乳酸（PLA）的技术，详细内容发表在刚刚发表于《自然通讯》的新论文中。
塑料包装市场是一个价值235亿美元的产业，主要由聚乙烯和聚丙烯主导，这些由石油制成的聚合物会分解成有害的微塑料。研究人员优化的生物塑料名为分层生态先进多功能薄膜（LEAFF），它将PLA转变为一种可在室温下生物降解的包装材料。此外，该结构还具有其他关键特性，如低透气性或透水性，有助于保持食品稳定，以及可印刷的表面。这提高了生物塑料的经济性，因为它节省了制造商为包装印刷单独标签的成本。
“最重要的是，LEAFF基础的纤维素结构赋予其比聚乙烯和聚丙烯等石化塑料更高的拉伸强度，”Yuan实验室的博士生、该论文的第一作者Puneet Dhatt解释道。
创新之处在于添加了华盛顿大学工程师所复制的纤维素结构——嵌入生物塑料中的纤维素原纤维。
“这种独特的仿生设计使我们能够解决生物塑料使用的局限性，克服技术障碍，并促进生物塑料的更广泛应用，”Yuan说。
为循环经济做好准备
美国在主导生物塑料市场并建立“循环经济”方面具有独特优势，在循环经济中，废物被再利用，反馈回系统，而不是任其污染空气和水或堆积在垃圾填埋场。
Yuan希望这项技术能尽快扩大规模，并寻求商业和慈善合作伙伴，帮助将这些改进的工艺引入工业。来自亚洲和欧洲研究机构的竞争对手也在努力开发类似技术。但美国工业由于该国庞大的农业体系而具有优势——华盛顿大学靠近国家农业化学工业的中心。
“美国在农业方面特别强大，”Yuan说。“与世界其他地区相比，我们可以以更低的价格提供生物塑料生产的原料。”
Yuan所指的“原料”是乳酸、乙酸或油酸等脂肪酸等化学品，它们是微生物发酵玉米或淀粉的产物，这些微生物充当着生物塑料工厂的角色。
例如，恶臭假单胞菌是一种广泛用于发酵工业的微生物菌株，包括用于生产多种聚羟基脂肪酸酯（PHA），如PHB。
麦凯维工程学院的研究人员设计了利用恶臭假单胞菌等菌株将各种废物（包括二氧化碳、木质素和食物垃圾）转化为生物塑料的方法。随着生物塑料设计的改进，Yuan的研究进一步填补了这一循环，其版本的PHB和PLA可以更高效地生产，并能安全地降解到环境中。
“美国存在废物问题，循环再利用可以在很大程度上将这些废物转化为有用的材料，”Yuan说。“如果我们能够扩大生物塑料供应链，它将创造就业机会和新市场，”他说。
研究“用于可持续包装的仿生分层生态先进多功能薄膜”得到了美国国家科学基金会（NSF）EEC 2330245、NSF MCB 2229160以及美国能源部生物能源技术办公室（BETO）项目的支持。
研究“多功能增强生物塑料（MReB）的综合设计以协同增强强度、可降解性和功能性”得到了NSF MCB 2229160以及美国能源部生物能源技术办公室（BETO）项目的支持，包括EE 0007104、DE EE 0008250等。