Riutilizzare la plastica diventa più facile con l'aiuto dei laser

I crescenti livelli di inquinamento a livello mondiale continuano ad aumentare la domanda di servizi di riciclaggio a basso costo. Purtroppo, gli inquinanti plastici non si decompongono nelle discariche come altri rifiuti, causando enormi accumuli in tutto il mondo. Fortunatamente, questo mese un gruppo di ingegneri innovativi ha pubblicato uno studio che illustra un innovativo sistema laser che rende più efficiente il riutilizzo dei rifiuti plastici. Ecco cosa c'è da sapere.

Inquinamento di plastica

Il mondo ha bisogno di soluzioni sostenibili per la gestione dei rifiuti di plastica. La plastica è notoriamente difficile da decomporre e, per questo motivo, spesso finisce in discariche o in cumuli di rifiuti, dove si decompone lentamente e distrugge l’ambiente. Questi inquinanti continuano ad emergere nell’acqua potabile, negli animali e in altri punti cruciali lungo la catena alimentare.

Studio sul riutilizzo della plastica

Le ultime ricerche approfondiscono l’uso dei laser per contribuire a rompere i legami chimici che rendono la plastica dannosa e impiega così tanto tempo a degradarsi nell’ambiente. Il rapporto dimostra come questi laser possano decomporre molecole specifiche nella plastica, consentendo loro di essere riutilizzate come sostanze riutilizzabili. Nello specifico, il team ha creato punti luminescenti di carbonio (CD) che sono stati catturati su substrati solidi utilizzando un processo chiamato attivazione CH.

Riutilizzare la plastica diventa più facile con l'aiuto dei laser

I ricercatori hanno selezionato il cloruro di cetiltrimetilammonio (CTAC) come primo bersaglio per il metodo di degradazione laser. Il team ha scelto il CTAC per le sue caratteristiche specifiche, tra cui la sua struttura priva di carbonio. Inoltre, è comune nella composizione dei nanomateriali e può mantenere una forma solida senza richiedere particolari aggiustamenti atmosferici.

Attivazione CH

L'attivazione del CH è un processo chimico rivoluzionario che consente agli scienziati di rompere i legami carbonio-idrogeno in una molecola organica. Questi legami possono essere presi di mira in modo specifico in base alla loro composizione, consentendo loro di essere sintetizzati selettivamente in componenti fondamentali come i CD che possono essere riutilizzati.

Il processo di attivazione CH introduce raggi luminosi a bassa potenza a intervalli e frequenze specifici. Questi raggi luminosi rompono i legami chimici che rendono la plastica non biodegradabile e formano nuovi legami. Nello specifico, lo studio esamina come scomporre i tensioattivi organici di ammonio quaternario a catena lunga in CD luminescenti, aprendo la porta a nuove opportunità in vari campi, tra cui la riduzione dell’inquinamento, la scienza dei materiali, la chimica organica e la biomedica.

Nanomateriali a base di carbonio

I nanomateriali a base di carbonio rappresentano il prodotto ideale per la conversione dei rifiuti plastici per molteplici motivi. Innanzitutto, questo materiale può essere utilizzato per creare componenti elettronici di fascia alta, tra cui truciolati, dispositivi di archiviazione di memoria e altri elementi cruciali dell'economia informatica. Sono molto richiesti e indispensabili per i dispositivi high-tech di oggi.

Calcoli della teoria del funzionale densità (DFT).

I ricercatori hanno sviluppato una variazione del calcolo della teoria del funzionale della densità per prevedere il processo di conversione e ottimizzare la quantità di luce e le frequenze utilizzate. Secondo gli ingegneri, i calcoli DFT si basavano sul codice VASP, per il quale gli elettroni di valenza vengono contabilizzati tramite le funzioni d'onda di Kohn-Sham in un insieme di basi di onde piane. Questo approccio ha consentito al team di determinare errori e difetti nel processo senza la necessità di rieseguire i test. Nello specifico, sono stati in grado di determinare in che modo gli stati ossidati e gli errori influenzano i processi di adsorbimento di H e di attivazione di C–H.

Fase di test

Lo scienziato ha iniziato i test creando un sottile strato di CTAC solido. Questo strato è stato poi rivestito da un monostrato WSe2. In particolare, questo rivestimento è stato coltivato appositamente per l'esperimento utilizzando il metodo di deposizione chimica in fase vapore (CVD). Gli strati, denominati dichalcogenuri di metalli di transizione, facilitano la reazione chimica una volta esposti all'irradiazione di un laser ad onda continua a bassa potenza. In particolare, il team ha utilizzato vari laser con una potenza compresa tra circa 0.2 e 5 mW.

Il laser consente alle molecole CTAC di iniziare l'attivazione del legame C – H mediata da WSe2, determinando la formazione di un legame C = C e la conversione delle molecole H allo stato gassoso. In particolare, il team ha integrato strati di dicalcogenuri di metalli di transizione D (TMDC), riducendo drasticamente l'energia necessaria affinché le molecole di carbonio del marmo si legassero e convertessero i rifiuti in CD.

Monitoraggio dei cambiamenti

Gli ingegneri hanno tentato il processo in diversi scenari di illuminazione. In particolare, un microscopio invertito Nikon TiE, che utilizza un obiettivo a olio × 100 e una sorgente di luce bianca alogena da 12 V, 100 W, ha reso possibile l'esperimento. Inoltre, il team ha utilizzato un condensatore a campo scuro (NA 1.20–1.43) per ottenere un tracciamento efficace dell’irradiazione laser.

I laser utilizzati includevano un laser Coherent Genesis MX STM-1 W a onda continua da 660 nm (Laser Quantum). È interessante notare che gli ingegneri hanno ampliato il raggio per renderlo più efficiente utilizzando un Thorlabs GBE05-A che è stato diretto utilizzando il microscopio durante i test.

I risultati mostrano la promessa per un futuro più verde

I risultati dello studio sono sufficienti per entusiasmare il settore. Nello specifico, il team è riuscito a convertire il tensioattivo di ammonio quaternario a catena lunga cetiltrimetilammonio cloruro (CTAC, C19H42ClN) in CD luminescenti su monostrati 2d WSe2 in uno schema organizzato e risolto spazialmente. Il processo è stato ottimizzato e può essere integrato immediatamente per contribuire a ridurre i rifiuti di plastica.

Per garantire che il processo fosse completato in modo efficiente, gli scienziati hanno monitorato gli sviluppi utilizzando una spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier su scala nanometrica (nano-FTIR). Hanno notato una banda di assorbimento prominente a ~1660 cm−1. Questo intervallo ha aumentato l’efficienza dei legami C=C nei CD. Inoltre, il team ha utilizzato gli spettri Raman e la mappatura tramite il sistema Renishaw per monitorare i progressi. In particolare, lo spettro Raman ha rivelato che il team ha completato la conversione dai rifiuti in CD.

Vantaggi

Ci sono molti vantaggi che questo studio offre. Gli inquinanti plastici sono un problema importante che già colpisce la vita di milioni di persone ogni anno. La capacità di sintetizzare complessi organici funzionali e inquinanti ambientali come i rifiuti di combustibili fossili in sostanze chimiche rinnovabili apre le porte a un’economia più circolare in cui i rifiuti diventano ripetutamente prodotti di valore.

Più efficiente

Uno dei maggiori vantaggi di questo processo è la sua maggiore efficienza rispetto a qualsiasi metodo attuale. Le tecniche utilizzate oggi richiedono molta energia, sono costose e possono causare ulteriori danni all'ambiente. Pertanto, questo approccio apre le porte a un riciclaggio più pulito di questi materiali di scarto.

Flessibile

Un altro enorme vantaggio di questa ricerca è che può essere applicata a una serie di inquinanti chimici che attualmente affliggono l’ambiente. I ricercatori hanno affermato che il processo funzionerà su una vasta selezione di composti organici a catena lunga. Pertanto, questa strategia potrebbe essere implementata a livello globale per combattere una crescente selezione di rifiuti, tra cui polietilene e tensioattivi.

Ricercatori

Lo studio sugli inquinanti plastici ha riunito alcune delle menti più brillanti provenienti da tutti i settori accademico e scientifico. Il progetto è stato scritto in collaborazione con Jingang Li e ha compreso il contributo di ricercatori dell'Università della California, dell'Università di Tohoku in Giappone, del Lawrence Berkeley National Laboratory, della Pennsylvania State University e della Baylor University. I finanziamenti per lo studio sono arrivati ​​dal National Institutes of Health, dalla Hirose Foundation, dalla National Natural Science Foundation of China, dalla National Science Foundation e dalla Japan Society for the Promotion of Science.

Applicazioni

Esistono molte applicazioni per questa tecnologia. La capacità di ridurre i rifiuti di plastica è passata da una preoccupazione a un rischio fondamentale che richiede un’attenzione immediata e costante. Quest’ultima scoperta aiuta a ridurre questi rischi trasformando i rifiuti di plastica in CD preziosi e riutilizzabili. Pertanto, esistono applicazioni quasi infinite nei campi dei materiali fotonici, della chimica organica e del risanamento ambientale.

Aziende che possono trarre vantaggio da questo studio

Esaminando il mercato, è facile vedere che diverse aziende potrebbero trarre immediato vantaggio dall'integrazione di questa tecnologia. Queste aziende sono da tempo pioniere nella gestione dei rifiuti, nel riciclaggio e nelle misure di salvaguardia ambientale. In quanto tali, offrono un'opportunità unica per i trader di acquisire visibilità in un settore in rapida crescita.

1. Gestione dei rifiuti

Connessioni rifiuti, Inc. (WCN + 0.64%)

Waste Management è entrata nel mercato nel 1987 cercando di fornire alla comunità un modo migliore per smaltire i materiali di scarto. L'azienda ha rapidamente ampliato le proprie attività per includere servizi di riciclaggio. Oggi, questa azienda con sede in Texas è uno dei principali fornitori di questi servizi.

In qualità di fornitore leader di servizi completi di gestione dei rifiuti, Waste Management è posizionata in modo oculato. È un'importante realtà con oltre 28 dipendenti. L'azienda ha compiuto progressi significativi nel riciclaggio, nella gestione dei rifiuti, nelle energie rinnovabili e in altri mercati cruciali. In particolare, ha registrato un fatturato di oltre 20.69 miliardi di dollari nel 2023.

I trader possono considerare WCN un forte “acquisto”. È il principale sviluppatore, proprietario e operatore di servizi di trasformazione del gas di discarica in energia negli Stati Uniti. Pertanto, il titolo ha sovraperformato e attualmente mostra un rendimento a 5 anni del +107.63%. In particolare, il titolo è cresciuto del +2,137% dalla sua IPO.

2. Collegamenti dei rifiuti

Connessioni rifiuti, Inc. (WCN + 0.64%)

Waste Connections è entrata nel mercato nel 1997. Originariamente con sede in California, l'azienda si è trasferita in Texas come parte della sua strategia per servire meglio la nazione. Oggi, Waste Collections impiega oltre 19 professionisti ed è un fornitore leader di servizi di raccolta, trasferimento, smaltimento e riciclaggio dei rifiuti negli Stati Uniti.

In particolare, Waste Connections potrebbe vedere un enorme aumento delle capacità e delle entrate se integrasse con successo i nuovi sistemi laser di riciclaggio della plastica proposti dai ricercatori. Questo aggiornamento consentirebbe all'azienda di creare entrate aggiuntive offrendo CD ai clienti.

Waste Connections ha una capitalizzazione di mercato di +46.85 miliardi di dollari. L'azienda è in una posizione di forte "hold" grazie al suo posizionamento e alle numerose acquisizioni di alto livello completate nel corso degli anni. Chi cerca un titolo stabile con un forte potenziale di rialzo dovrebbe prendere in considerazione Waste Connections.

Le statistiche dipingono un quadro oscuro

La plastica ha rivoluzionato il modo in cui il mondo fa commercio e rimane un elemento cruciale della vita quotidiana. Questo materiale utile ha visto un utilizzo considerevole e gli esperti citano una crescita esponenziale dalla sua introduzione nel 1950. Sfortunatamente, gran parte di questa plastica rimane nei rifiuti. Secondo studi ambientali, ogni anno il mondo immette nell’ambiente 2 milioni di tonnellate di sostanze inquinanti plastiche, che si aggiungono ai 7 miliardi di tonnellate già in circolazione.

È facile capire da dove questi inquinanti entrano nel mercato. Gli studi hanno dimostrato che fino al 50% dei rifiuti di plastica proviene da imballaggi monouso. Quel che è peggio è che gli analisti prevedono che i livelli di inquinamento aumenteranno drasticamente nei prossimi anni, aumentando drasticamente i rischi per la salute e l'ambiente. Purtroppo, questa situazione ha portato ad alcune conseguenze disastrose.

Gli oceani soffrono

Gli oceani sono particolarmente sensibili a questi inquinanti. Purtroppo, tra le 75 e le 99 tonnellate di plastica finiscono nell’oceano, dove rimangono, creando enormi isole di spazzatura che rilasciano sostanze inquinanti mortali. Al ritmo attuale, ogni anno gli esseri umani creano 33 miliardi di libbre di rifiuti di plastica che finiscono nell’oceano. Quest’ultimo sviluppo potrebbe contribuire ad alleviare queste preoccupazioni e contribuire a inaugurare un’economia più sostenibile.

I maggiori inquinatori a livello globale

Non dovrebbe sorprendere apprendere che non tutti i Paesi sono ugualmente responsabili del problema dei rifiuti. Come prevedibile, i principali responsabili sono tutti Paesi con un'economia e un settore manifatturiero di grandi dimensioni. Nel 2023, la Cina era in testa con circa 59,079,741 tonnellate di rifiuti. Gli Stati Uniti seguivano a breve distanza con 37,825,550 tonnellate. Anche Germania, Brasile e Giappone sono tra i principali responsabili, sebbene in misura molto inferiore rispetto a Cina e Stati Uniti.

Uno sforzo di squadra

La richiesta di ridurre i rifiuti di plastica ha spinto diversi team di ricerca in tutto il mondo a proporre idee innovative. Queste idee spaziano dall'eliminazione dei rifiuti dal pianeta al loro riutilizzo per l'elettronica avanzata di oggi. Un esempio interessante studio ha scoperto che i rifiuti di polistirolo potrebbero essere scomposti e utilizzati per creare preziosi componenti elettronici. Il polistirolo, come i rifiuti di plastica, rappresenta un grosso problema a causa della sua lunga durata e del pericolo che introduce per la fauna selvatica.

normativa

Un altro fattore fondamentale da considerare è la crescente resistenza normativa. I legislatori hanno riconosciuto che lo scenario attuale non è sostenibile. L'uso massiccio di plastica monouso e altri fattori hanno reso necessario apportare cambiamenti radicali. Pertanto, sono state introdotte nuove normative a livello globale. Ad esempio, il Nuovo Galles del Sud, Victoria e il Queensland hanno introdotto divieti di utilizzo monouso nel 2023. Ora, la California sta cercando di responsabilizzare i produttori nella bonifica dei propri rifiuti di plastica.

Riutilizzare i rifiuti di plastica e rendere il mondo più sicuro

Prendere i rifiuti di plastica, che hanno causato danni irreparabili all’ambiente, e riutilizzarli in preziosi CD ha perfettamente senso. Lo sviluppo potrebbe avere precauzioni immediate e di lunga data nel settore. Per ora, questo team di ingegneri merita un riconoscimento per la loro scoperta che ha il potenziale per aiutare a salvare milioni di vite in futuro.

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