英文原题：Plastics–Fertilizer Homology: Solid-Phase Molecular Assembly Enables Natural Closed-Ring Cycle of Biomass-like Plastics
通讯作者：阎云（北京大学）、马新贤（宁夏师范大学）
作者：Jinwan Qi, Hongxin Zhao, Hongjun Jin, Shuitao Gao, Jianbin Huang, Xinxian Ma*, Yun Yan*
塑料制品在现代社会中广泛应用，给人们生活带来了极大便利。然而，石化基塑料也导致了一系列严重的生态及环境问题，如产生微塑料、难以回收及降解等。在此背景下，亟需寻找一种更为可持续的塑料替代方案。
近期，北京大学阎云、宁夏师范大学马新贤等人在ACS Materials Letters 发表研究成果，从生物多糖的固相分子组装出发，提出了 “塑肥同源” 策略，为解决塑料污染问题提供了新的可能。
基于固相分子组装构建新型多糖基塑料
各种石化基塑料产品在服役及废弃阶段均会产生微塑料，而生物质却能够可持续自然闭环循环，即在自然环境中会发生降解，其降解产物能为土壤提供肥料，随后被植物吸收，转化为新的生物质。这一循环过程保证了生态系统的可持续发展。受此启发，研究人员设想，如果能使塑料具备类似生物质的特性，通过自然闭环循环，不仅可以解决微塑料及塑料废弃物堆积问题，还能够对土壤和植物生长产生积极影响，实现“塑肥同源”。
基于这一思路，研究团队首先利用海藻酸钠（一种常用于促进植物生长的生物多糖，SA）和阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）作为组装基元，通过固相分子组装策略（SPMSA）制得了SA-DTAB超分子薄膜。随后利用钙离子配位，得到了兼具高力学性能和良好生物降解性的SA-DTAB-Ca超分子塑料。与传统浇铸成膜法不同，SPMSA策略通过温和压力促进介观畴区的重排与融合，在常温常压下即可得到宏观尺度的透明超分子塑料。
性能优异，兼具力学强度与生物降解性
SA-DTAB-Ca塑料具有十分优异的力学性能，在干燥状态下可表现出120 MPa的抗拉强度和10%的断裂伸长率，优于大多数商用塑料。此外，在水中浸泡5天后，其仍具有约14 MPa的拉伸强度，与常用的LDPE塑料相当。在80℃的高温条件下，SA-DTAB-Ca塑料也具有良好的柔韧性。这得益于钙离子对海藻酸钠链的配位交联作用，不仅降低了薄膜的吸水性，还增强了其结构稳定性，使塑料的综合性能得到显著提升。更重要的是，SA-DTAB-Ca塑料具有良好的生物降解性。当掩埋于自然土壤中，其可在3个月时间内完全降解。
降解产物促进植物生长
SA-DTAB-Ca塑料的优势不仅体现在力学性能上，其降解产物对土壤和植物生长也具有明显的促进作用。研究人员进行了一系列实验，在种植小白菜的沙子中分别设置埋入SA-DTAB-Ca塑料的实验组和不埋入该塑料的对照组。实验数据表明，对于埋有SA-DTAB-Ca塑料的实验组，小白菜的鲜重增加了 40%，干重增加了 12%，且植株生长态势明显优于对照组。同时，在实验初期，实验组的沙子保水能力比对照组高出 30% 以上，在后续几天更是高出 100% 以上。这意味着，SA-DTAB-Ca塑料的降解产物不仅能为植物生长提供丰富的养分，还能显著改善土壤的保水性能，为植物创造更有利的生长环境。其中，SA是一种常用的肥料成分，DTAB是一种可降解为NH3和CO2的洗涤剂，而Ca2+是可生物吸收的，因此这种塑料不会对土壤造成长期危害。
小结
本研究基于固相分子组装，通过合理的组分选择，设计并验证了“塑肥同源”这一自然闭环循环策略。从实际应用角度出发，相关的固相辊压技术在工业上已发展成熟，因此有望实现SA-DTAB-Ca塑料的规模化生产。未来，研究团队计划将该策略拓展到其它生物质来源的天然聚合物，进一步优化材料的机械性能和制备成本，推动其工业化应用。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、北京分子科学国家研究中心、以及宁夏绿色催化材料与技术重点实验室的支持。
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Plastics–Fertilizer Homology: Solid-Phase Molecular Assembly Enables Natural Closed-Ring Cycle of Biomass-like Plastics
Jinwan Qi, Hongxin Zhao, Hongjun Jin, Shuitao Gao, Jianbin Huang, Xinxian Ma*, Yun Yan*
ACS Materials Lett. 2025, 7, 5, 1646–1653
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c00009
Published March 31, 2025
© 2025 American Chemical Society
（本稿件来自ACS Publications）