Il riutilizzo della plastica diventa più facile con l’aiuto dei laser

The livelli crescenti di inquinamento nel mondo continuano a spingere la domanda di servizi di riciclaggio a basso costo. Purtroppo, gli inquinanti plastici non si degradano nelle discariche come altri rifiuti, provocando enormi accumuli in tutto il globo. Fortunatamente, un gruppo di ingegneri innovativi ha pubblicato questo mese uno studio che dimostra un sistema laser innovativo che rende più efficiente il riutilizzo dei rifiuti plastici. Ecco cosa c’è da sapere.

Inquinamento da plastica

Il mondo ha bisogno di soluzioni sostenibili per la gestione dei rifiuti plastici. Le plastiche sono notoriamente difficili da degradare e, per questo, finiscono spesso in discariche o cumuli di rifiuti, dove si degradano lentamente e danneggiano l’ambiente. Questi inquinanti continuano a comparire nell’acqua potabile, negli animali e in altri punti cruciali della catena alimentare.

Studio sul riutilizzo della plastica

L’ultima ricerca approfondisce l’uso dei laser per aiutare a rompere i legami chimici che rendono la plastica dannosa e richiedono così tanto tempo per degradarsi nell’ambiente. Il rapporto dimostra come questi laser possano decomporre molecole specifiche nella plastica, consentendo il loro riutilizzo come sostanze riutilizzabili. In particolare, il team ha creato punti di carbonio luminescenti (CD) catturati su substrati solidi mediante un processo chiamato attivazione C-H.

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

Attivazione C-H

L’attivazione C-H è un processo chimico rivoluzionario che consente agli scienziati di rompere i legami carbonio-idrogeno in una molecola organica. Questi legami possono essere specificamente mirati in base alla loro composizione, permettendo di sintetizzarli selettivamente in componenti fondamentali come i CD riutilizzabili.
Il processo di attivazione C-H introduce raggi di luce a bassa potenza a intervalli e frequenze specifiche. Questi raggi di luce rompono i legami chimici che rendono la plastica non biodegradabile e formano nuovi legami. In particolare, lo studio esamina come degradare i tensioattivi organici a catena lunga di ammonio quaternario in CD luminescenti, aprendo la porta a nuove opportunità in vari settori, tra cui la riduzione dell’inquinamento, la scienza dei materiali, la chimica organica e le biomediche.

Nanomateriali a base di carbonio

I nanomateriali a base di carbonio sono il prodotto ideale per convertire la plastica di scarto per molte ragioni. Innanzitutto, questo materiale può essere utilizzato per creare componenti elettronici di alta gamma, inclusi circuiti stampati, dispositivi di memorizzazione e altri elementi cruciali dell’economia informatica. Sono molto richiesti e necessari per i dispositivi high-tech di oggi.

Calcoli della teoria funzionale della densità (DFT)

I ricercatori hanno sviluppato una variante del calcolo della teoria funzionale della densità per prevedere il processo di conversione e perfezionare 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 sono considerati tramite le funzioni d’onda di Kohn-Sham in un insieme di base a onde piane. Questo approccio ha permesso al team di individuare errori e difetti nel processo senza la necessità di ripetere i test. In particolare, sono riusciti a determinare come gli stati ossidati e gli errori influenzino l’adsorbimento di H e i processi di attivazione C–H.

Fase di test

Lo scienziato ha iniziato i test creando uno strato sottile di CTAC solido. Questo strato è stato poi rivestito da un monostrato di WSe2. È importante notare che questo rivestimento è stato coltivato appositamente per l’esperimento usando il metodo di deposizione chimica da vapore (CVD). Gli strati, denominati dicalcogenuri di metalli di transizione, facilitano la reazione chimica una volta esposti all’irradiazione di un laser a onda continua a bassa potenza. Il team ha utilizzato vari laser con potenze comprese tra ~0,2–5 mW.
Il laser consente alle molecole di CTAC di avviare l’attivazione del legame C–H mediata da WSe2, risultando nella formazione di un legame C=C e nella conversione delle molecole di H in stato gassoso. È importante notare che il team ha integrato strati di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) di tipo D, riducendo drasticamente l’energia necessaria per i legami dei carboni di marmo e convertendo i rifiuti in CD.

Monitoraggio delle variazioni

Gli ingegneri hanno provato il processo in diversi scenari di illuminazione. In particolare, un microscopio invertito Nikon TiE, con obiettivo a olio ×100, e una sorgente di luce bianca alogene valutata 12 V, 100 W hanno 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 includono un laser a onda continua Coherent, Genesis MX STM-1 W da 660 nm (Laser Quantum). Curiosamente, gli ingegneri hanno ampliato il fascio per renderlo più efficiente usando un Thorlabs GBE05-A, diretto tramite il microscopio durante i test.

I risultati mostrano speranza per un futuro più verde

I risultati dello studio sono sufficienti a entusiasmare il settore. In particolare, il team è riuscito a convertire il tensioattivo di ammonio quaternario a catena lunga cloruro di cetiltrimetilammonio (CTAC, C19H42ClN) in CD luminescenti su monostrati 2D di WSe2 in un pattern organizzato e spazialmente risolto. Il processo è stato ottimizzato e può essere integrato immediatamente per contribuire a ridurre i rifiuti plastici.
Per garantire che il processo fosse completato in modo efficiente, gli scienziati hanno monitorato gli sviluppi usando una spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier su scala nanometrica (nano-FTIR) a campo vicino. Hanno osservato una banda di assorbimento prominente a ~1660 cm⁻¹. Questa gamma ha aumentato l’efficienza dei legami C=C nei CD. Inoltre, il team ha utilizzato spettri Raman e mappature tramite il sistema Renishaw per tracciare i progressi. È importante notare che lo spettro Raman ha rivelato che il team ha completato la conversione dei rifiuti in CD.

Benefici

Ci sono molti benefici 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 la porta a un’economia più circolare in cui i rifiuti diventano prodotti di valore in modo ricorrente.

Più efficiente

Uno dei maggiori benefici di questo processo è che è più efficiente di qualsiasi metodo attuale. Le tecniche utilizzate oggi richiedono molta energia, sono costose e possono causare ulteriori danni all’ambiente. Pertanto, questo approccio apre la porta a un riciclaggio più pulito di questi materiali di scarto.

Flessibile

Un altro grande beneficio di questa ricerca è che può essere applicata a una gamma di inquinanti chimici che attualmente affliggono l’ambiente. I ricercatori hanno dichiarato 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 varietà di rifiuti, inclusi il polietilene e i tensioattivi.

Ricercatori

Lo studio sugli inquinanti plastici ha riunito alcune delle menti più brillanti dei settori accademici e scientifici. Il progetto è stato co-autore da Jingang Li e ha incluso il contributo di ricercatori dell’Università della California, della Tohoku University in Giappone, del Lawrence Berkeley National Laboratory, della Pennsylvania State University e della Baylor University. Il finanziamento dello studio è provvenuto 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

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

Aziende che possono beneficiare di questo studio

Esaminando il mercato, è facile vedere che numerose aziende potrebbero beneficiare dell’integrazione immediata di questa tecnologia. Queste aziende hanno da tempo guidato la gestione dei rifiuti, il riciclaggio e le soluzioni ambientali. Pertanto, offrono un’opportunità unica per gli investitori di ottenere esposizione a un settore dinamico e in crescita.

1. Waste Management

WCN Grafico dei prezzi

Waste Management (WM ) è entrata nel mercato nel 1987 con l’obiettivo di offrire alla comunità un modo migliore per smaltire i materiali di scarto. L’azienda ha rapidamente ampliato le sue operazioni includendo servizi di riciclaggio. Oggi, questa società con sede in Texas è uno dei principali fornitori di tali servizi.

Come principale fornitore di servizi completi di gestione dei rifiuti, Waste Management è posizionata in modo strategico. È una grande operazione con oltre 28.000 dipendenti. L’azienda ha compiuto importanti progressi nel riciclaggio, nella gestione dei rifiuti, nell’energia rinnovabile e in altri mercati cruciali. In particolare, ha registrato un fatturato di oltre 20,69 miliardi di dollari nel 2023.

Gli investitori possono considerare WCN un forte “acquisto”. È il principale sviluppatore, proprietario e operatore di servizi di gas da discarica trasformato in energia negli Stati Uniti. Pertanto, l’azione ha sovraperformato e attualmente mostra un rendimento a 5 anni del +107,63%. È notevole che l’azione sia aumentata del +2.137% dal suo IPO.

2. Waste Connections

WCN Grafico dei prezzi

Waste Connections (WCN ) 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 19.000 professionisti ed è un fornitore leader di servizi di raccolta, trasferimento, smaltimento e riciclaggio dei rifiuti negli Stati Uniti.

È importante notare che Waste Connections potrebbe vedere un enorme aumento delle capacità e dei ricavi se riuscisse a integrare con successo i nuovi sistemi di riciclaggio della plastica a laser proposti dai ricercatori. Questo aggiornamento consentirebbe all’azienda di generare ricavi aggiuntivi offrendo CD ai clienti.

Waste Collections ha una capitalizzazione di mercato di oltre 46,85 miliardi di dollari. L’azienda è su un forte “hold” grazie al suo posizionamento e a diverse acquisizioni di alto livello completate negli anni. Chi cerca un’azione stabile con forte potenziale di rialzo dovrebbe considerare Waste Connections.

Le statistiche dipingono un quadro cupo

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 uso considerevole, con gli esperti che citano una crescita esponenziale dalla sua introduzione nel 1950. Sfortunatamente, gran parte di questa plastica finisce nei rifiuti. Secondo studi ambientali, il mondo introduce ogni anno 2 milioni di tonnellate di inquinanti plastici nell’ambiente, aggiungendosi alle 7 miliardi di tonnellate metriche già in circolazione.
È facile capire dove questi inquinanti entrano nel mercato. Gli studi hanno mostrato che fino al 50 % dei rifiuti plastici proviene da imballaggi monouso. Peggio ancora, gli analisti prevedono che i livelli di inquinamento aumenteranno drasticamente nei prossimi anni, incrementando notevolmente i rischi per la salute e l’ambiente. Purtroppo, questa situazione ha portato a conseguenze molto gravi.

Gli oceani soffrono

Gli oceani sono particolarmente vulnerabili a questi inquinanti. Purtroppo, tra 75 e 99 tonnellate di plastica finiscono negli oceani, dove rimangono, creando enormi isole di rifiuti che rilasciano inquinanti mortali. Al ritmo attuale, gli esseri umani producono 33 miliardi di libbre di rifiuti plastici che finiscono negli oceani ogni anno. Questo sviluppo recente potrebbe contribuire ad alleviare queste preoccupazioni e favorire l’avvento di 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 ci si aspetta, i principali contributori sono tutte le nazioni con enormi settori economici e manifatturieri. Nel 2023, la Cina ha guidato la classifica con circa 59.079.741 tonnellate metriche di rifiuti. Gli Stati Uniti sono al secondo posto con 37.825.550 tonnellate. Germania, Brasile e Giappone sono anch’essi importanti contributori, sebbene su scala molto più ridotta rispetto a Cina e Stati Uniti.

Uno sforzo di squadra

La necessità di ridurre i rifiuti plastici ha spinto diversi team di ricerca in tutto il mondo a proporre concetti. Queste idee spaziano dal inviare i rifiuti fuori dal pianeta al riutilizzarli per le elettroniche avanzate di oggi. Uno studio interessante ha scoperto che i rifiuti di polistirene espanso (styrofoam) possono essere degradati e utilizzati per creare componenti elettronici di valore. Lo styrofoam, come i rifiuti plastici, è un grande problema a causa della sua lunga vita di degradazione e del pericolo che rappresenta per la fauna selvatica.

Regolamentazioni

Un altro fattore vitale da considerare è la crescente opposizione normativa. I legislatori hanno riconosciuto che lo scenario attuale non è sostenibile. L’uso massiccio di plastica monouso e altri fattori hanno portato alla necessità di apportare cambiamenti importanti. Pertanto, nuove leggi sono state introdotte a livello globale. Ad esempio, New South Wales, Victoria e Queensland hanno implementato divieti sull’uso monouso nel 2023. Ora, la California sta cercando di rendere i produttori responsabili della pulizia dei loro rifiuti plastici.

Riutilizzo dei rifiuti plastici e rendere il mondo più sicuro

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

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