塑料有个根深蒂固的巨大问题：它们太顽强了。这对牛奶罐或汽车保险杠来说是好事，但对环境来说却是灾难——因为它们极难分解。

　　自20世纪50年代塑料开始大规模生产以来，到2017年为止，石化行业已生产了超过83亿公吨这种几乎无法摧毁的材料。其中绝大部分至今仍存留于世，污染着自然环境，毒害着野生动物乃至人类自身。

　　再加上预计到2050年将新增的约250亿公吨塑料产量，这场令人头疼的超级污染危机的棘手程度便一目了然。

　　人类对塑料“获取-制造-废弃”的线性经济模式，与自然系统形成了鲜明对比。经过数十亿年的进化，生物体发展出了坚固耐用的材料（如骨骼、贝壳和蚕丝），这些材料在使用后能自行分解为无害成分。

　　受天然材料循环特性的启发，美国罗格斯大学的化学家们开始着手设计能实现同样功能的塑料。他们认为已经找到了解决循环性问题的突破性方案，或至少朝着解决方案迈出了一大步。

　　在去年11月发表的一篇论文中，他们报告称，受自然启发，他们开发出了一种新型塑料分子结构，使其能在产品寿命结束时自行分解。研究人员甚至表示，未来的塑料产品可以内置一个可编程的定时分解日期。

　　塑料由称为聚合物的长链分子组成，链中的单元通过非常牢固的化学键（作用类似胶水）结合在一起。正是这些化学键赋予了塑料强度和耐用性，使其如此有用。不幸的是，这些键也使得塑料在产品寿命结束时难以分解。

　　自然界也存在聚合物：DNA、RNA、蛋白质和纤维素都是天然聚合物。但与塑料不同，这些生物聚合物在功能不再需要时会轻易分解。这是因为大自然已将降解工具直接嵌入其分子结构中。

　　像蛋白质这样的天然聚合物含有称为亲核基团的结构，它们能在聚合物链最薄弱的点将其切断。由顾玉伟（音译）领导的研究团队从这一机制中获得灵感，设计了可自行分解的塑料。“大自然已经为聚合物的降解编好了程序……我们基本上是借鉴了这种化学原理，应用到我们的合成聚合物中，”顾解释道。

　　科学家们通过修改现有塑料聚合物的结构，在聚合物链的薄弱点添加了分子切割工具——就像天然聚合物中的亲核基团一样。

　　在预设的特定时刻，这些切割工具可以切断将合成塑料聚合物结合在一起的化学键，将其分解成单个组分。结果是一种由最初用于制造塑料聚合物的基本构件（称为单体）组成的“分子汤”。

　　“这使我们能够……保持聚合物良好的机械强度和可用性，同时让我们的合成聚合物可自行降解，”顾解释道。

　　这种机制与环境中的合成塑料废物缓慢降解截然不同：当今的塑料并非真正分解，而仅仅是碎裂成越来越小的聚合物链——微塑料和纳米塑料——这构成了另一个巨大的环境问题。在自然界中，有机聚合物链通过化学方式分解，切断化学键，留下单个单体，而不是微小的、破碎的聚合物碎片。

　　切割工具相对于合成聚合物链的确切位置决定了塑料能保持其结构多久，这意味着未来的塑料可以在工厂预先编程，在一定时间后自行分解。“我们可以创造一系列聚合物，它们具有非常相似的成分、相似的机械强度，但我们可以编程控制它们自行降解的速度，”顾说。

　　虽然完全分解的塑料是一项革新，但科学家们不希望牛奶罐或汽车保险杠在其使用寿命结束前随机分解。然而，要提前预测何时需要塑料分解并不总是可能的。因此，研究人员也在新型塑料中设计了可按需触发自我分解的机制。

　　他们通过添加一个保护性“门”来实现这一点，该“门”可以阻止切割工具接触合成聚合物链，直到被特定触发器（如暴露于紫外线）打开。“你可以将聚合物保护在稳定形态中，然后当你准备降解它时，只需打开那个触发器，工具就会执行切割工作，”顾解释道。

　　但还有另一个问题：塑料废物常常最终堆积在阳光无法照射到的地方，因此研究人员还设计了一种在没有紫外线的情况下触发自我分解的方法。

　　在自然界中，蛋白质的降解常常受其形状促进。蛋白质折叠成复杂的三维结构，其特定形状决定了它们如何与其他分子相互作用以执行特定功能。功能蛋白质的折叠形状也使亲核基团远离它们设计要切割的键。然后，当蛋白质不再需要时，细胞内的信号会触发其折叠成新形状，使亲核基团就位以分解蛋白质。

　　受这种自然机制的启发，研究团队设计了能对金属离子作出反应的合成塑料聚合物，通过折叠成新的分子形状，将切割工具定位到靠近目标切割点的位置。金属离子在环境中很常见——例如海水中含量丰富——因此自我分解可以在各种正常环境条件下被触发。这种依赖于形状的机制比保护“门”更简单、合成成本更低，从而降低了生产成本。

　　综合来看，这三大化学创新——内置的合成聚合物切割工具、保护性“门”和可编程的形状变化——共同构成了一个优雅的塑料分解系统，无需使用大量能源、高温或有害化学物质（如当今有争议的塑料热解，即所谓的“先进回收”中使用的）来实现分解。

　　英国伦敦国王学院的计算化学家弗朗西斯科·马丁-马丁内斯（未参与此项研究）称这项研究“令人着迷”，并补充说：“这是一个美丽的例证，表明我们可以运用物理学和化学的基本定律来解决现代工程问题。”

　　历史上，塑料制造商一直在材料强度和可降解性之间面临权衡，但这项创新可能提供两全其美的方案：塑料在其所需的使用期内保持强度、形状和耐用性；然后自动自行分解，为妥善处置或回收做好准备。

　　马丁-马丁内斯表示，这项化学突破“让我们更接近一个材料能在特定时间‘设计降解’的未来，这对于可持续经济至关重要。”例如，“通过编程降解速率，我们可以设计出恰好使用两年的渔网，或保质两个月的包装。这种精确性可以防止微塑料在环境中存留数百年。”

　　但前路仍有障碍：马丁-马丁内斯提醒道，“与制造聚乙烯或PET相比，合成这些（可自分解塑料）可能更复杂且成本更高。”许多生产商可能不愿为提升可持续性而削减利润，这可能暂时限制这些新型自分解塑料的应用。

　　全球塑料条约谈判目前陷入僵局，但环保人士表示，他们希望最终具有约束力的协议能包含生产者责任延伸条款，将产品全生命周期的财务负担置于生产者身上。如果实施这样的政策框架，将给予制造商强大的经济激励，促使他们投资于确保产品易于分解的技术。

　　由于自分解塑料会衰变成其基本分子组分，顾表示，这些组分随后可用于制造新塑料，成为循环经济的一部分。或者，如果自分解塑料被丢弃到环境中，它们也可以就地分解。

　　这与当今的现实情况大相径庭：目前只有不到10%的塑料被回收；即便如此，用回收塑料制成的产品寿命也有限：塑料的材料价值在其首次使用后约95%会损失，因此大多数塑料制造商仍然严重依赖原生塑料。专家表示，自分解塑料可以解决这个问题。

　　这一美好设想的前提是分解产物无毒，顾和他的团队目前正在对此进行研究。另一个复杂之处在于：根据类型和用途的不同，当今塑料的成分差异很大，并且含有一系列化学添加剂。已识别出超过16,000种此类化学物质，其中至少有4,200种被认为对人类健康和环境“高度有害”。这些有毒化学物质导致了一系列污染问题，而自分解聚合物技术无法解决这些问题。

　　尽管存在这些障碍，罗格斯大学的研究人员设想，可编程的自分解塑料将在制造业、医学及其他领域拥有广泛的应用前景。“我相信，解决当今社会许多严峻挑战的答案可以直接从大自然中找到，”顾说道。