塑料污染是一个日益严重的全球性问题，但圣路易斯华盛顿大学的科学家们从叶片结构中获取灵感，通过创造一种新型生物塑料迈出了重要一步。他们研发的LEAFF材料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。这种材料在室温下即可降解，具备印刷适性，并能阻隔空气和水分，为可持续包装提供了革命性的解决方案。
为此，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，目前的生物塑料也面临挑战：现有产品强度不及石化塑料，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团队从不起眼的树叶中获得灵感，一举解决了这两个难题。早在塑料出现前，人类就用树叶包裹食物，这些富含纤维素的细胞壁结构使其极易生物降解。华大化学工程师决定将纤维素纳米纤维引入生物塑料设计。
"我们创建了这种多层结构，纤维素位于中间层，两侧是生物塑料，"麦凯维工程学院能源、环境与化学工程系主任、Lucy and Stanley Lopata讲席教授Joshua Yuan解释道。他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，我们创造出兼具高强度和多功能性的材料。"
该技术源于对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》的论文中，袁团队运用仿叶纤维素纳米纤维结构增强了淀粉基塑料聚羟基丁酸酯(PHB)的强度与降解性；根据最新发表在《自然·通讯》的论文，他们进一步优化了聚乳酸(PLA)的处理工艺。
目前230亿美元的塑料包装市场由聚乙烯和聚丙烯主导，这些石油基聚合物会分解为有害微塑料。研究人员开发的"层状生态先进多功能薄膜"(LEAFF)技术，使PLA成为可在室温降解的包装材料。该结构还具有低透气透水性（保持食品稳定）和表面可印刷性，省去单独印刷标签的成本，提升了生物塑料的经济性。
"更重要的是，LEAFF的底层纤维素结构使其拉伸强度甚至超过聚乙烯等石化塑料，"论文第一作者、袁实验室博士生Puneet Dhatt强调。
创新关键在于植入了华大团队仿生的纤维素结构——嵌入生物塑料中的纤维素原纤维。
"这种独特的仿生设计突破了生物塑料应用的技术壁垒，拓宽了其使用场景，"袁教授表示。
循环经济前景
美国在建立"循环经济"（废弃物重新投入生产系统而非污染环境）方面具有独特优势，有望主导生物塑料市场。
袁教授期待该技术尽快规模化，正寻求商业与慈善合作伙伴推动产业化。虽然亚欧研究机构也在开发类似技术，但美国庞大的农业体系赋予其竞争优势——华大正位于全国农化产业中心地带。
"美国农业实力雄厚，"袁教授指出，"我们能以低于全球其他地区的价格提供生物塑料原料。"这些原料包括乳酸、醋酸盐、油酸盐等微生物发酵玉米或淀粉的产物。
例如工业发酵中广泛使用的恶臭假单胞菌，可用于生产聚羟基烷酸(PHA)家族材料，包括PHB。
麦凯维工程学院的研究人员已开发出利用恶臭假单胞菌等菌株将二氧化碳、木质素和厨余垃圾转化为生物塑料的技术。通过优化设计，袁团队进一步闭环了PHB和PLA的生产流程，使其更高效生产且安全降解。
"美国面临废弃物难题，循环利用能将其转化为宝贵材料，"袁教授说，"若能扩大生物塑料供应链，将创造大量就业和新市场。"
研究"仿生层状生态先进多功能可持续包装薄膜"获美国国家科学基金会EEC 2330245、MCB 2229160及美国能源部生物能源技术办公室项目资助。
研究"多功能增强生物塑料(MReB)的集成设计以协同增强强度、降解性和功能性"获美国国家科学基金会MCB 2229160及美国能源部生物能源技术办公室EE 0007104、DE EE 0008250等项目资助。