Micro/Nanoplastic Formation by Polymer Processing

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die winzigen, unsichtbaren Plastikpartikel, die unsere Ozeane und Flüsse verschmutzen, nicht nur das Ergebnis von alten Flaschen sind, die in der Sonne zerfallen, oder von Reifen, die auf der Straße abnutzen. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass diese „Mikroplastik“ und „Nanoplastik“ – Stücke, die kleiner als ein Sandkorn oder sogar ein menschliches Haar sind – hauptsächlich nach dem Kauf des Kunststoffs durch Verwitterung und Abnutzung entstanden. Aber was wäre, wenn der Akt der Kunststoffherstellung selbst heimlich diese winzigen Eindringlinge gebären würde? Dieses Papier taucht in dieses Geheimnis ein und untersucht eine verborgene Fabrik innerhalb der Maschinen, die Rohchemikalien in den Kunststoff verwandeln, den wir jeden Tag verwenden. Um die Geschichte zu verstehen, müssen Sie zwei Dinge wissen: Erstens, dass Kunststoffe, wenn sie geschmolzen und durch eine Maschine gepresst werden (ein Prozess, der Extrusion genannt wird), heiß und unter Stress geraten, was ihre langen Molekülketten in kürzere, gebrochene Stücke zerbrechen lassen kann. Zweitens hasst die Natur es, Dinge zu mischen, die nicht zusammenpassen; wenn man Öl und Wasser mischt, trennen sie sich. Die Wissenschaftler in dieser Studie fragten sich, ob diese gebrochenen, „kranken“ Kunststoffketten wie das Öl agieren könnten, indem sie sich weigern, sich mit dem gesunden Kunststoff zu vermischen, und stattdendess ihre eigenen winzigen, schwachen Inseln bilden, die schließlich abbrechen.

Die Forscher, ein Team der Columbia University und anderer Institutionen, beschlossen, eine kühne Idee zu testen: dass das routinemäßige Schmelzen und Formen von Kunststoff tatsächlich eine große Quelle der Mikroplastikverschmutzung ist, noch bevor der Kunststoff jemals die Umwelt berührt. Sie haben nicht nur geraten; sie „kochten“ sechs verschiedene Arten von Kunststoff – von den flexiblen Tüten, die wir für den Lebensmitteleinkauf verwenden, bis hin zu den harten Gehäusen für Elektronikgeräte – und ließen sie durch industrielle Schmelzmaschinen laufen. Als sie den frisch geschmolzenen Kunststoff mit Wasser wuschen, blieb das Wasser nicht klar. Stattdessen wurde es trüb mit winzigen Partikeln. Durch das Trocknen dieses Wassers sammelten sie ein weißes Pulver aus Mikroplastik. Sie fanden heraus, dass der Kunststoff bereits nach nur 5 Minuten der Verarbeitung diese Partikel abgab. Tatsächlich verwandelten sich nach einem längeren 15-minütigen Durchlauf etwa 1 % der gesamten Kunststoffmasse in diese winzigen Fragmente. Das mag klein klingen, aber in einer Fabrik, die Tonnen von Kunststoff produziert, ist das eine massive Menge an Verschmutzung, die direkt an der Quelle entsteht.

Um herauszufinden, warum dies geschah, spielten das Team Detektiv mit den Partikeln. Sie betrachteten sie unter leistungsstarken Mikroskopen und fanden heraus, dass sie gezackt und seltsam geformt waren und viel kleiner als der ursprüngliche Kunststoff. Entscheidend war, dass sie entdeckten, dass diese winzigen Partikel chemisch unterschiedlich waren: Sie waren „oxidiert“, was bedeutet, dass sie während des heißen Schmelzprozesses Sauerstoffatome aufgenommen hatten, was sie kurz und gebrochen machte. Die gesunden, langen Kunststoffketten wollten nicht mit diesen kurzen, oxidierten Ketten zusammen abhängen. Es ist, als versuche man, einen riesigen, freundlichen Hund mit einem winzigen, griesgrämigen Hamster zu mischen; schließlich wird der Hamster an den Rand gedrängt. Die Wissenschaftler nutzten Computersimulationen, um dieses Drama zu beobachten. Sie sahen, dass diese kurzen, oxidierten Ketten, wenn der Kunststoff abkühlte, an die Oberfläche des Materials gedrängt wurden und eine schwache, spröde Haut bildeten. Wenn der Kunststoff gehandhabt oder gewaschen wird, blättert diese schwache Haut ab und erzeugt das Mikroplastik.

Das Team testete auch ein „Was-wäre-wenn“-Szenario mittels Computermodellen, um zu sehen, ob die Art und Weise, wie der Kunststoff abkühlte, eine Rolle spielte. Sie fanden heraus, dass, wenn der Kunststoff langsam abkühlte, die kurzen, oxidierten Ketten Zeit hatten, bis zur Oberfläche zu wandern, wodurch eine dicke Schicht aus schwachem Material entstand. Aber wenn er super schnell abkühlte, blieben diese Ketten im Inneren gefangen. Dies deutet darauf an, dass die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst, wie viel Verschmutzung erzeugt wird. Sie versuchten sogar, den Kunststoff zu „heilen“, indem sie diese schwache äußere Haut abzogen. Als sie dies taten, war der verbleibende Kunststoff viel stärker und robuster, was bewies, dass die Verschmutzung kein Zufallsprodukt war, sondern eine spezifische Schicht aus schwachem Material an der Außenseite darstellte.

Diese Entdeckung verändert die Geschichte der Plastikverschmutzung. Es geht nicht nur um Vermüllung oder alten Müll, der zerfällt; die Verschmutzung beginnt in dem Moment, in dem der Kunststoff hergestellt wird. Das Papier widerlegt die Idee, dass dies nur durch die Additive (wie Farbstoffe oder Weichmacher) verursacht wird, die in den Kunststoff gemischt werden, und zeigt, dass selbst reiner Kunststoff dies tut. Es legt auch nahe, dass die übliche Art und Weise, wie wir Recycling denken – das Schmelzen von Kunststoff, um neue Dinge herzustellen –, das Problem tatsächlich verschlimmern könnte, indem jedes Mal, wenn das Material erneut geschmolzen wird, mehr dieser winzigen, gebrochenen Ketten entstehen. Während die Studie noch keine magische Lösung bietet, weist sie auf einen neuen Weg hin: Wenn wir den Kunststoffketten von vornherein das Brechen verhindern oder wenn wir kontrollieren können, wie sie abkühlen, um diese schwachen Teile im Inneren gefangen zu halten, können wir diese Verschmutzung stoppen, noch bevor sie den Fabrikboden verlässt. Die Autoren betonen vorsichtig, dass dies ein neuer Weg ist, den sie aufgedeckt haben, gestützt durch Experimente und Simulationen, aber es ist ein klares Signal, dass die Reise zu saubererem Kunststoff viel früher beginnen muss, als wir dachten.