塑料污染已成为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汲取灵感，创造出名为LEAFF的新型生物塑料，取得了重大突破。该创新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优于传统塑料。这种塑料可在室温下降解，具备印刷适性，并能阻隔空气和水分，为可持续包装领域提供了革命性解决方案。
作为回应，研究人员一直在开发生物可降解版本的传统塑料，或称“生物塑料”。然而，当前的生物塑料也面临挑战：现有版本不如石油基塑料坚固，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由此切入，他们从不起眼的树叶中汲取灵感，同时解决了这两个问题。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，生物塑料位于两侧，"麦克凯维工程学院能源、环境与化学工程系的Lucy and Stanley Lopata讲席教授兼系主任Joshua Yuan表示。Yuan同时担任美国国家科学基金会资助的"生物制造碳利用再设计工程研究中心"（CURB）主任。"通过这种方式，我们创造了一种非常坚固且具备多功能性的材料，"他补充道。
该技术源自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及其同事采用受树叶启发的纤维素纳米纤维结构变体，增强了淀粉基塑料聚羟基丁酸酯（PHB）的强度和生物降解性；随后在刚发表于《自然·通讯》的新论文中，他们进一步将该技术优化应用于聚乳酸（PLA）。
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，这些石油基聚合物会分解为有害的微塑料。研究人员将优化后的生物塑料命名为"层状生态先进多功能薄膜"（LEAFF），它将PLA转变为可在室温下降解的包装材料。此外，该结构还具有其他关键特性，如低透气透水性（有助于保持食品稳定）以及可印刷表面。这提高了生物塑料的经济性，因为制造商无需为包装单独印刷标签。
"最重要的是，LEAFF的底层纤维素结构赋予其比聚乙烯、聚丙烯等石油基塑料更高的抗拉强度，"该论文第一作者、Yuan实验室的博士生Puneet Dhatt解释道。
创新之处在于添加了华大工程师复制的纤维素结构——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应用的局限性，突破技术壁垒，推动生物塑料更广泛的应用，"Yuan表示。
适配循环经济
美国在主导生物塑料市场、建立"循环经济"方面具有独特优势——在循环经济中，废弃物可被重新利用并反馈回系统，而非滞留污染空气水源或堆积于填埋场。
Yuan希望该技术能尽快实现规模化，并寻求商业和慈善合作伙伴助力将这些改进工艺推向产业。来自亚洲和欧洲研究机构的竞争者也在研发类似技术。但由于美国庞大的农业体系，该国工业具有竞争优势——而华盛顿大学正位于国家农化工业的中心地带。
"美国在农业领域尤其强大，"Yuan指出，"相比世界其他地区，我们能够以更低成本提供生物塑料生产的原料。"
Yuan所指的"原料"是乳酸、乙酸盐或油酸盐等脂肪酸类化学品，这些由微生物发酵玉米或淀粉产生的产物，本身就是生物塑料的生产工厂。
例如恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）是发酵工业中广泛使用的菌株，包括用于生产包括PHB在内的多种聚羟基脂肪酸酯（PHA）。
麦克凯维工程学院的研究人员已设计出利用恶臭假单胞菌等菌株将二氧化碳、木质素和食物垃圾等多种废弃物转化为生物塑料的方法。随着生物塑料设计的改进，Yuan的研究通过开发可高效生产并能安全降解于环境的PHB和PLA版本，进一步闭合了循环链条。
"美国存在废弃物问题，而循环再利用可将这些废弃物转化为有用材料，"Yuan强调，"若能扩大生物塑料供应链，将创造就业机会并开辟新市场。"
研究"用于可持续包装的仿生层状生态先进多功能薄膜"获得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（BETO）项目资助。
研究"协同增强强度、降解性与功能性的多功能增强生物塑料（MReB）集成设计"获得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（BETO）项目（包括EE 0007104、DE EE 0008250等）资助。