塑料污染是全球日益严峻的问题，但圣路易斯华盛顿大学的科学家从叶片结构中获取灵感，开发出新型生物塑料LEAFF，取得重大突破。该材料通过利用纤维素纳米纤维，在强度、功能性和生物降解性方面均超越传统塑料。它在室温下可自然降解，具备表面印刷适应性，并能有效阻隔空气和水分，为可持续包装领域提供了颠覆性解决方案。
为此，研究人员一直在开发生物降解版本的传统塑料，或称"生物塑料"。然而，当前生物塑料也面临挑战：现有版本的强度不及石化塑料，且仅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从不起眼的树叶中获得灵感，成功解决了这两个问题。远在塑料出现之前，人类就用树叶包裹食物，这些树叶因富含纤维素的细胞壁基础结构而易于生物降解。华大化学工程师决定将纤维素纳米纤维引入生物塑料的设计中。
"我们创建了这种多层结构，纤维素位于中间层，生物塑料分居两侧，"麦凯尔维工程学院能源、环境与化学工程系的Lucy and Stanley Lopata讲席教授兼系主任袁晓明（音）表示。袁教授同时担任美国国家科学基金会资助的"生物制造碳利用重构工程研究中心"(CURB)主任。"通过这种方式，我们创造出一种强度极高且具备多功能性的材料，"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。在今年早些发表于《绿色化学》的研究中，袁教授团队运用其受树叶启发的纤维素纳米纤维结构变体，增强了源自淀粉的聚羟基丁酸酯(PHB)的强度与生物降解性；在最新发表于《自然·通讯》的论文中，他们进一步优化了针对聚乳酸(PLA)的技术方案。
当前塑料包装市场是价值235亿美元的产业，主要由石油基聚乙烯和聚丙烯主导，这些聚合物会分解成有害微塑料。研究人员将优化的生物塑料命名为分层生态先进多功能薄膜(LEAFF)，该技术使PLA转变为可在室温生物降解的包装材料。此外，该结构还具备低透气透水性（有助于保持食品稳定）和可印刷表面等关键特性，通过免除制造商单独印刷包装标签降低了生物塑料成本。
"最重要的是，LEAFF的底层纤维素结构赋予其比聚乙烯、聚丙烯等石化塑料更高的拉伸强度，"袁教授实验室博士生、论文第一作者Puneet Dhatt解释道。
创新点在于华大工程师复刻的纤维素结构——将纤维素原纤维嵌入生物塑料内部。
"这种独特的仿生设计使我们能够突破生物塑料应用的限制，克服技术障碍，推动生物塑料的广泛应用，"袁教授表示。
面向循环经济
美国在主导生物塑料市场、建立"循环经济"方面独具优势。在循环经济模式下，废弃物将被回收利用，重新进入系统而非污染空气水源或堆积填埋场。
袁教授希望该技术能尽快扩大规模，并寻求商业和慈善合作伙伴推动改良工艺产业化。来自亚欧研究机构的竞争者也在开发类似技术，但美国因庞大的农业体系占据优势——华大毗邻全国农化产业中心。
"美国在农业领域实力雄厚，"袁教授强调，"相比全球其他地区，我们能够以更低成本提供生物塑料生产原料。"
袁教授所指"原料"是乳酸、乙酸盐或油酸盐等脂肪酸，这些由微生物发酵玉米或淀粉产生的化学物质，正是制造生物塑料的天然工厂。
例如广泛应用于发酵工业的恶臭假单胞菌，可用于生产包括PHB在内的多种聚羟基脂肪酸酯(PHA)。
麦凯尔维工程学院研究人员已设计出利用恶臭假单胞菌等菌株将二氧化碳、木质素及食物垃圾转化为生物塑料的方法。通过改进生物塑料设计，袁教授的研究进一步优化了循环体系，开发出生产效率更高且能安全环境降解的PHB与PLA改良版本。
"美国面临废弃物处理难题，循环再利用可将废弃物转化为有用材料，"袁教授指出，"若能扩大生物塑料供应链，将创造大量就业岗位并开拓新市场。"
研究"面向可持续包装的仿生分层生态先进多功能薄膜"获得NSF EEC 2330245、NSF MCB 2229160及美国能源部生物能源技术办公室(BETO)项目资助。
研究"多功能增强生物塑料(MReB)的集成设计：协同增强强度、降解性与功能性"获得NSF MCB 2229160、美国能源部生物能源技术办公室(BETO)项目EE 0007104、DE EE 0008250等资助。