Yazan: Anuj Kumar, Vijay Kumar Thakur, Hamed Yazdani Nezhad & Kwan–Soo Lee
Çeviren: Buse Mehmetoğlu
Düzenleyen: Ümit Sözbilir
Özet: Senelerdir hayatımızı kolaylaştıran sentetik polimerler, biyolojik olarak parçalanmamaları nedeniyle günümüzde çevre için büyük bir tehlike hâline gelmiştir. Biyobozunur olmayan bu malzemelerin yerine, sürdürülebilir polimerlerin geliştirilmesi ve kullanımı, bilim dünyasının öncelikli hedefleri arasındadır ve bu alandaki çalışmalar hızla artmaktadır.
Polimerler1; düşük maliyetleri, dayanıklılıkları, esneklikleri ve kolay şekillendirilebilen yapıları sayesinde günlük hayatımızda önemli bir rol oynar. Sağladıkları kolaylıklara ve pratik üretim süreçlerine karşın polimerler; biyolojik olarak bozunmayan, tek kullanımlık yapıları ve atıklarının çevreye atılması nedeniyle faydalarının ötesinde, kirliliğe yol açarak çevreye büyük bir yük olmaktadır. Günümüzde sentetik polimerleri hayatımızdan tamamen çıkarmak mümkün olmasa da sürdürülebilir bir gelecek için alternatiflerinin kullanılması, plastik polimerlerin çevre üzerindeki zararlı etkisi azaltabilir. Araştırmacılar bu etkiyi en aza indirmek için ham madde edinimi, malzeme tasarımı ve imalatı, geri dönüştürülebilir plastiklerin tekrar kullanılması veya monomerlerine2 ayrılması gibi var olan çeşitli süreçleri geliştirerek daha sürdürülebilir alternatifler üzerine çalışıyorlar. Sürdürülebilir polimerlerin üretimi için gerçekleştirilen araştırmalara, üretim süreçlerinde yenilenebilir ham madde ve enerjinin kullanılması, çevre dostu yöntemlerin uygulanması ve polimerlerin çevresel ve ekonomik etkilerin ölçülmesiyle başlanması faydalı olabilir. Bu yöntemler sayesinde tarım ve gıda atıkları, odunsu malzemeler ve geri dönüştürülmüş ürünler gibi yenilenebilir kaynaklar; endüstri ve biyomedikal alanında çeşitli uygulamalar için yeni polimerlerin, monomerlerin veya formların sentezlenmesi veya mevcut formların geliştirilmesi için yaygın olarak kullanılır. Yenilenebilir ve atık malzemelerden elde edilen sürdürülebilir polimerler; biyolojik olarak bozunabilir, doğal koşullarda gübreleşebilir veya geri dönüştürülebilir ve bu yönleri çevre üzerindeki etkilerini azaltır.
Sürdürülebilir polimerler, endüstriyel, biyomedikal ve birçok farklı alandaki geniş kullanım potansiyelleri sayesinde dünya çapında yoğun ilgi görmektedir. Sürdürülebilir alternatifler bulmanın ana hedefi, plastik malzemelerin iyi yanlarından yararlanmaya devam ederken istenmeyen etkilerini azaltmaktır. Ancak araştırmacıların sürdürülebilir bir gelecek için en büyük önceliği, yeni sürdürülebilir polimerler geliştirerek bu sentetik plastik malzemelerin yerini almalarını sağlamaktır.
Nature’daseçkin araştırmacılar tarafından yazılmış Sustainable Polymers isimli derlemede, yukarıda bahsedilen alanlardaki gelişmeler ve öncü araştırma faaliyetleri ele alınmaktadır. Abdel–Baky ve arkadaşları; kitosan-kinolin (CHQ) Schiff bazını temel alarak özellikle şeker hastalarında antibakteriyel, antioksidan ve antidiyabetik özellikleri sayesinde yaranın iyileşme sürecini hızlandıran, sürdürülebilir ve çok işlevli bir bileşik türevi tasarladılar. Bu çalışmada, türevin α–amilaz ve α–glukozidazı inhibe etme yollarını ve kanın glikoz seviyesini düzenlemek için bir diyabet ilacı olarak kullanılma potansiyelini açıklamak amacıyla moleküler yerleştirme simülasyonu kullanılırken; türevin biyolojik aktivitesi ile teorik olarak ilişkili olan yük yoğunluğu dağılımlarını göstermek için DFT hesaplama analizi uygulandı. Bir başka çalışmada ise Gierszewska ve arkadaşları plastikleştirici olarak kolin klorür ve sitrik asit karışımı içeren adenin ile modifiye edilmiş yenilebilir kitosan (CH) filmleri geliştirdi. Bu çalışmada A ve B4 vitaminleri barındıran adenin içeriğinin, geliştirilen filmlerin işlevselliği üzerindeki etkisi gözlemlendi. Tasarlanan bu filmler; suda çözünmeyen, gelişmiş antioksidan özellikler (H2O2‘yi temizleme etkinliği (%55,8–%66,1) gösteren, mutajenik olmayan (Salmonella typhimurium bakterisinin film üzerinde büyümemesi), azaltılmış oksijen geçirgenliği, iyi antimikrobiyal ve mekanik özellikler gösteren bir yapıya sahipti. Araştırma, geliştirilen filmlerin gıda ambalajları için yenilenebilir bir kaplama malzemesi olarak kullanılabileceğini kanıtlamıştır.
Polietilen tereftalat (PET) gibi sentetik polimerlerin yaygın kullanımı ve doğada bozunmayan yapıları, çöplüklerden mikroplastik ve nanoplastik parçaları hâlinde sızarak çevre ve okyanuslar için ciddi bir plastik atık tehlikesi oluşturmaktadır. Rashwan ve ekibi; PET’in geri dönüştürülmüş hâlinin (rPET), eritip şekillendirme yöntemiyle üretim teknolojileri için değerli ve sürdürülebilir bir hammadde olduğunu göstermiştir. Bu amaçla PET, piromellitik dianhidrit (PMDA, bir zincir uzatıcı), maleik anhidrit-fonksiyonelleştirilmiş stiren-etilen-bütilen-stiren terpolimeri (MA-g-SEBS, bir termal düzenleyici/sertleştirici madde), etilen-etil akrilat-glisidil metakrilat terpolimeri (E-EA-GMA, reaktif bir elastomerik darbe düzenleyicisi) ve etilen-etil-akrilat (EEA, reaktif olmayan elastomerik darbe düzenleyicisi) gibi düşük maliyetli katkı maddeleriyle birleştirilmiştir. Daha sonra elde edilen malzeme, prototip tasarlamak, parça testi yapmak ve küçük makine veya otomobillerin iç mekanlarında kullanılmak üzere istenilen şekli elde etmek için ikiz vidalı ekstrüderde3 kalıp enjeksiyonuyla işlenmiştir. Konuya başka bir bakış açısı getiren Verma ve ekibi, deniz taşımacılığında dayanıklılık ve sürdürülebilirlik elde etmek için çok işlevli SiO2@ZnO çekirdek-kabuk nanokürelerini (ağırlıkça %4) dâhil ederek poliüretan (PU) bazlı bir kaplama malzemesi geliştirmiştir. Çelik yüzeyleri biyolojik kirlenmeye karşı korumak için ideal olarak kullanılan bu polimerik kaplama, hidrofilikten hidrofobik duruma geçebiliyor ve PU ile karşılaştırıldığında kayda değer yüzey aşınma direnci, gelişmiş antibakteriyel, antifungal ve antialg özellikler sergilemektedir. Trakunjae ve arkadaşları başka bir yaklaşımda, Cupriavidus necator PHB-4/pBBR CnPro-phaCRp tarafından poli(3-hidroksibutirat-ko-3-hidroksiheksanoat) [P(3HB-ko-3HHx)] bakteriyel kopolimerlerinin (yeni nesil bir biyoplastik) daha yüksek üretiminin istatistiksel optimizasyonunu yanıt yüzey metodolojisi (RSM) kullanarak kurmuş ve özelliklerini değerlendirmiştir. Üretilen bu polimerin özelliklerinin ticari olarak satılabilen P(3HB-ko-3HHx) ile benzer olması, geniş bir uygulama yelpazesi için uygunluğunu göstermektedir.
Konjuge polimerler, farklı türlerdeki yarı iletken tek duvarlı karbon nanotüpleri ayırt etmek için kullanılır. Bunun yanında sentezlenmeleri, moleküler ağırlıklar üzerindeki yetersiz kontrol ve öngörülemez ve/veya tekrarlanamaz partiler nedeniyle zorlu bir süreçtir ve süreçte kullanılan katalizörlerin geri dönüşümü özel şartlar gerektirdiğinden zordur. Bu zorlu süreç, kullanımlarının yaygınlaşmasının önüne geçmiştir. Sentez sürecindeki bu zorlukları aşmak için Wasiak ve ekibi, yeni bir katalizör geliştirmiş ve manyetik nikel nano teller (NiNWs) üzerine yüksek aktif paladyum nanopartikülleri (PdNPs) eklemiştir. Bu katalizör, mikrodalga radyasyonu altında florin bazlı monomerlerin Suzuki polikondansasyonu ile polifluoren türevlerini sentezlemek için kullanılmış ve reaksiyon süresi 3 günden 1 saate düşürülmüştür. Katalitik olarak sentezlenen polimer türevleri, belirli karbon nanotüplerin ayrıştırılmasında kullanılmıştır.
Hafif tasarım konusundaki özellikleri sayesinde CO2 salınımını azaltan lif takviyeli polimerler (FTP) endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tasarımda kullanılan özellikle petrol bazlı malzemeler çevreye ve sağlığa zarar verme potansiyeli taşıdığından sürdürülebilir bir alternatife ihtiyaç duymaktadır. Bu ihtiyaçtan yola çıkarak bir çalışma gerçekleştiren Walter ve arkadaşları, epoksi reçinelerinde4 sertleştirici olarak kullanılan ve çevre dostu olmayan, örneğin amin bazlı, petrol bazlı kürleme maddelerine çevre dostu bir alternatif olarak tamamen biyolojik bazlı kürleme maddeleri (yani, biyomolekül olarak amino asitler) geliştirmiştir.
Sonuç olarak, sentetik polimerlerin yol açtığı olumsuz etkilerin üstesinden gelmek için sürdürülebilir polimerler uygulanabilir çözümler sunmaktadır. Sürdürülebilir alternatifler üzerine çalışan araştırmacılar, geri dönüşüm ve kompostlama, talep üzerine üretim ölçeklendirme, tekrarlanabilirlik ve fiyatlandırma konusundaki karmaşıklıkları göz önünde bulundurarak bir yol haritası oluşturmaktadır. Bununla birlikte, enerji maliyetleri, geri dönüşüm veya depolimerizasyon seçiciliği, geri dönüştürülebilirlik, fonksiyonel stabilite açısından hâlâ çeşitli zorluklar veya sınırlamalar mevcuttur. Bu sebeple, yeşil kimya protokolleriyle yeni monomerler, polimerler tasarlanmalı; geri dönüşüm ve üretim süreçleri için daha sürdürülebilir, az enerji gerektiren yöntemler için kapsamlı araştırmalar yapılmalıdır.
1 Tekrar eden küçük molekül yapı taşlarının birbirine bağlanarak oluşturduğu makromoleküllerin (büyük moleküller) zincirler ve ağlar şeklinde birleşmesiyle oluşurlar. Polimerler, üretim şekline göre sentetik (yapay) ve doğal olarak ikiye ayrılırlar.
2 Diğer moleküllerle reaksiyona girerek makromolekül oluşturabilen bir kimyasal bileşik sınıfıdır.
3 Basınç uygulanarak kalıp yardımıyla hammaddeye şekil verilmesini sağlayan, kablo kaplaması ve boru gibi ürünlerin üretildiği bir makinedir.
4 Çapraz bağlı zincirler oluşturabilen termoset (sıcaklığa dayanıklı) sınıfına ait bir polimerdir. Sıvı hâlinin sertleştiriciyle karıştırılması sonucunda kazandığı üç boyutlu yapı sayesinde dayanıklılığı yüksek bir madde elde edilir ve bu madde endüstriyel uygulamalarda kullanılır.
