Micro/Nanoplastic Formation by Polymer Processing

私たちの海や川を汚染している、目に見えないほど小さなプラスチックの破片が、単に古いボトルが太陽の下で分解されたり、タイヤが摩耗したりした結果だけではない、そんな世界を想像してみてください。長い間、科学者たちはこれらの「マイクロプラスチック」や「ナノプラスチック」（砂粒よりも小さく、時には人間の髪の毛よりも細い断片）は、主に私たちがプラスチックを購入した後、風化や摩耗を通じて生成されるものだと考えてきました。しかし、もしプラスチックを作る行為そのものが、密かにこれら微小な侵入者を誕生させているとしたらどうでしょうか？この論文はその謎に深く切り込み、原料となる化学物質を私たちが日常的に使うプラス名 プラスチックへと変える機械の中で隠されている、「隠れた工場」を探求しています。この物語を理解するには、2つのことを知る必要があります。第一に、プラスチックを溶かして押し出すプロセス（エクストルージョンと呼ばれる工程）では、熱とストレスがかかり、それによって分子の長い鎖が短く壊れた破片へと切れてしまうこと。第二に、自然界には相性の悪いものを混ぜることを嫌う性質があるということです。例えば油と水を混ぜれば分離しますよね。研究者たちは、これらの壊れた「病んだ」プラスチックの鎖がオイルのような役割を果たし、健康なプラスチックと混ざり合うことを拒み、代わりに独自の小さくて弱い島を作り出し、それが最終的に剥離していくのではないかと疑問を抱いたのです。

コロンビア大学などのチームによる研究者たちは、ある大胆な仮説を検証することに決めました。それは、プラスチックの日常的な溶解と成形が、実は環境に触れる前、つまり製造段階においてすでに主要なマイクロプラスック汚染源になっているという考えです。彼らはただ推測したわけではありません。レジ袋のような柔軟なものから電子機器用の硬いケースに至るまで、6種類の異なるタイプのプラスチックスを自作し、工業用スタイルの溶融機に通しました。出来立ての溶けたプラスチックを水で洗浄すると、水は透明なままではなく、微粒子によって濁りました。この水を乾燥させることで、彼らはマイクロプラスチックの白い粉末を集めました。調査の結果、わずか5分間の加工後でも、プラスチックはこれらの粒子を放出していることが分かりました。実際、15分間の連続稼働の後には、全質量のおよそ1％がこれらの微細な断片へと変化していました。これは一見少なく聞こえるかもしれませんが、何トンものプラスチックを生産する工場においては、発生源における膨大な量の汚染を生み出していることになるのです。

なぜこのような現象が起きているのかを解明するため、チームは粒子に対して探偵のように調査を行いました。強力な顕微鏡で観察したところ、それらはギザギザで奇妙な形状をしており、元のプラスチックよりもはるかに小さいことが判明しました。決定的なことに、これらの微粒子は化学的に異なっていました。すなわち「酸化」しており、高温での溶融過程で酸素原子を取り込んだために、短く壊れた状態になっていたのです。健康的で長いプラスチックの鎖は、これら短く酸化した鎖とは一緒にいたいと思いません。それはまるで、大きくてフレンドリーな犬と、小さくて不機理なハムスターを無理やり混ぜようとするようなものです。結局、ハムスターは端の方へ追いやられてしまいます。科学者たちはコンピュータ・シミュレーションを用いて、このドラマが進む様子を見守りました。プラスチックが冷却される際、これらの短い酸化した鎖が材料の表面へと押し出され、弱く脆い皮膜を形成することを突き止めたのです。そして、プラスチックが扱われたり洗浄されたりするとき、この弱い皮膚が剥がれ落ち、マイクロプラスチックが発生するという仕組みです。

チームはまた、どのようにプラスチックが冷えていくかが重要であるかどうかを確認するために、コンピュータモデルを用いた「もしも」のシナリオをテストしました。その結果、ゆっくりと冷却されると、短い酸化した鎖が表面まで移動する時間があり、厚い脆弱な層を作ることが分かりました。しかし、超高速で冷却されると、それらの鎖は途中で動きが止まり、内部に取り残されます。このことは、冷却速度がどれだけの汚染を引き起こすかを左右することを示唆しています。彼らはさらに、その弱い外側の皮を剥ぎ取ることでプラスチックを「治癒」できるか試みました。実際にそうしてみると、残ったプラスチックは非常に強く頑丈であり、この汚染が単なる偶然の事故ではなく、外側に位置する特定の弱い層であることを証明しました。

この発見は、プラスチック汚染の物語を変えるものです。汚染はゴミ捨てや古いゴミの分解だけでなく、プラスチックが作られた瞬間に始まっているのです。本論文は、これが添加物（着色料や可塑剤など）によるものではないことも排除しており、純粋なプラスチックであってもこの現象が起こることを示しています。また、リサイクルに関する従来の考え方――新しい製品を作るためにプラスチックを再加熱して溶かすこと――が、素材を再溶融させるたびにこれらの小さな壊れた鎖をより多く作り出し、問題を悪化させている可能性があることも指摘しています。研究内容はまだ魔法のような解決策を提示しているわけではありませんが、新たな道筋を示しています。もし最初にプラスチックの鎖が壊れるのを防ぐことができれば、あるいは、これらの弱い部分を中に閉じ込めるように冷却方法を制御することができれば、工場の床を出る前にこの汚染を食い止められるかもしれません。著者たちは、これは実験とシミュレーションに裏付けられた新しく明らかになった経路であるとしつつも、よりクリーンなプラスチックへの旅路は、私たちが考えていたよりもずっと早い段階から始める必要があるという明確なサインを送っています。