理化學研究所與東京大學等組成的國際研究團隊，開發出一種在使用後接觸「鹽」即可分解至原料等級並進行回收的「超分子塑膠」。其力學特性與傳統塑膠不相上下，且具備透過水平回收降低成本的可能性，是備受期待能作為替代塑膠的突破性新材料。我們採訪了帶領該研究團隊、抱持著消除微塑膠強烈信念的東京大學卓越教授暨理化學研究所 CEMS 組長相田卓三。
利用自然界的「鹽」即可結合與分解，邁向「脫微塑膠」目標
據預測，用於容器與包裝的塑膠產量在未來 20 年內將增加至目前的兩倍。另一方面，微塑膠在日常生活中也會產生，例如使用微波爐加熱塑膠容器時，且據稱微塑膠亦懸浮於空氣中。已有論文報告指出，微塑膠已在包括大腦在內的人體幾乎所有器官中被檢測出來，其對阿茲海默症等各種健康風險的影響令人擔憂。此外，塑膠在製造過程及廢棄後的焚化過程中都會排放大量溫室氣體，但目前各國與各地區對塑膠的管制力道不一，尚難以稱之為已產生重大影響。
在這些對現有塑膠擔憂的背景下，研究超分子聚合物超過 30 年的東京大學卓越教授暨理化學研究所（RIKEN）CEMS 團隊總監相田卓三，於 1988 年發表了構成此次超分子塑膠之「超分子聚合物」的首個原型論文。隨後，他與研究團隊成員共同下定決心，認為「若以該原理為基礎，或許有助於解決塑膠問題」，經過約 5 年的研究期，於 2024 年 11 月發表了「超分子塑膠」。
個人簡介／工學博士。1956 年出生於大分縣。1984 年於東京大學研究所取得學位。開創了超分子聚合物的研究領域，並致力於開發各種革新功能材料。2024 年底發表了「既堅硬卻能在海水中輕易分解並被代謝的超分子塑膠」，震驚全球。超過 90 位門生活躍於國內外大學及研究所。興趣是演奏電子管樂器。
塑膠通常是由無數個低分子化合物「單體」連結而成的長分子，稱為「聚合物」。傳統塑膠的單體之間是以「共價鍵」這種永久且強固的結合方式相連，正因為這種強大的結合力，一旦生成便無法在自然界中分解，反而會因風化產生微塑膠，部分甚至能殘留數十年之久。
相對於此，將單體之間以可逆共價鍵結合而成的物質稱為「超分子聚合物」，而由這種超分子聚合物製成的塑膠即為「超分子塑膠」。
「簡單來說，這就像是將兩塊磁鐵靠近時會吸附在一起，但只要稍微用力就能將它們分開的原理。我們讓單體在結合時會『上鎖』而不易分離，但只要有開鎖的鑰匙，就能讓單體再次分開。」相田先生解釋道。
這項「上鎖」技術正是本次研究開發的核心所在。由於「未上鎖」的超分子聚合物只能形成如橡膠般柔軟的材料，因此過去在替代塑膠領域一直乏人問津。然而，透過在單體之間的結合處進行「上鎖」，穩定化後的超分子塑膠便能擁有足以與傳統共價鍵塑膠相媲美的力學特性。
此外，只要擁有這把對應「鎖」的「鑰匙」，在塑膠結束其使用壽命時，就能輕易地將其還原為可被微生物分解的小分子單體。而且，這把「鑰匙」竟然就是「鹽」，這也是本次研發的超分子塑膠最卓越的特點之一。無論是在海洋或土壤中，自然界隨處可見的鹽，正是讓塑膠還原為單體的關鍵。
生物可分解塑膠被視為解決塑膠問題的方案之一，其原理是由微生物負責分解單體之間的鍵結。然而，微生物的種類與密度因環境而異，導致分解速度被認為過於緩慢；若分解過程耗時過長，期間仍有可能產生微塑膠。針對這一點，相田先生表示如下。
「即使是超分子塑膠，如果一直處於鎖定狀態，可能還是會產生微塑膠。但因為可以用鹽重新開啟這把鎖，使其還原成單體。萬一超分子塑膠被丟棄在地球上的任何角落，由於海水或土壤中也含有鹽分，理論上產生微塑膠的可能性趨近於零。」（相田先生）
超分子塑膠的分解速度極快，以裝蔬果的薄型塑膠袋為例，放入含鹽量約 3.5% 的人工海水中，僅需 2 至 3 小時即可完全分解為單體。相較於一般生物可分解塑膠需耗時數月至數年才能分解，其速度明顯快上許多。
相田氏從小就非常喜愛動物，甚至曾想過要成為動物學者。他最關心的是微塑膠對生態系統的影響，而「絕不產生微塑膠」的信念，也成為這項研究的核心。雖然目前已有其他開發中素材可在海水中分解，但這種能在不降低塑膠強度的前提下，於海水中分解回單體（Monomer）的獨特設計理念，已獲得國內外媒體的廣泛報導。
無需加熱或溶劑，在水中混合並乾燥的簡單製程
原料單體為六偏磷酸鈉與硫酸胍這兩種單體。前者是獲得美國食品藥物管理局（FDA）核准的食品添加物，成本極低，每噸約 130 美元（以 1 美元兌 148 日圓換算，約 2 萬日圓）。此外，也已確認其遺傳毒性較低。後者則可從天然來源的胺類物質，經由一個步驟高效合成。除了六偏磷酸鈉，也可以使用硫酸軟骨素鈉等多醣類替代。
製作方法非常簡單。將分別帶有正電荷與負電荷的兩種離子單體溶解於水中，在室溫下混合並靜置，單體便會透過鹽橋形成交聯，生成的超分子聚合物會從水相中自然分離並分為兩層。分離下層並乾燥後，即可獲得超分子塑膠。
「只需在水中攪拌，既不需要加熱也不必使用溶劑。傳統的塑膠製造工廠可能會讓人聯想到冒著煙的景象，但這種超分子塑膠不論是原料還是製造方式都完全不同。由於不像傳統產品那樣使用石油衍生原料，這將開展一個與石油無關的全新世界。」（相田先生）
在回收方面也表現優異。超分子塑膠若透過鹽分分解，會還原為原料單體，因此在使用後可進行回收並再次製成相同產品的「水平回收」。
強度與靈活性與傳統塑膠相比毫不遜色
超分子塑膠在力學特性方面也與傳統塑膠不相上下。只要不被「鹽」解鎖，連結單體的鍵結便十分強韌，並可進行多種加工。
「它具備充足的強度，且無論折疊或拉伸都不會破損。使用六偏磷酸鈉製成的類型，雖然具有難燃性質，但加熱後會變軟、冷卻後會變硬，因此可利用模具進行加工。無論在外觀或品質方面，都與傳統塑膠不相上下。」（相田先生）
研究團隊實際上已製作出包含複雜蜂巢結構與細微纖維等各種形狀的超分子塑膠。
「從發表至今的一年內，我們收到了來自各家企業的洽詢，了解到在實際應用場景中存在著如『想要上色』、『想要不透明』等各式各樣的需求。而我們也已經確認，超分子塑膠是能夠滿足這些要求的。」（相田先生）
2024 年發表時，研究團隊根據不同用途開發了三種超分子塑膠，分別具備「可耐受 315°C 高溫」、「高硬度」以及「高拉伸強度」等特性。目前該技術仍處於演進階段，過去一年中，單體（monomer）的種類有所增加，使得製造出能對應更精細目的與物性的超分子塑膠成為可能。此外，透過在表面加上塗層，也能夠控制其分解速度。
與業界合作，致力於容器及包裝之應用
在商業利用上，可能性最高的是用於容器或包裝。然而，目前仍處於實驗室階段的發表，相田氏表示，關於實用化的時程，「將取決於透過各種改良後，這種材料會如何進化而定」。
「簡單來說，傳統塑膠的製造是經過加熱後變形的過程。相較之下，超分子塑膠是在水中混合、乾燥後再進行成型，因此製造流程完全不同。若被問到目前的塑膠製造設備是否能直接沿用於製造超分子塑膠，就現階段而言確實有困難。但我們認為，透過不斷的研究與改良，未來或許能實現這個目標。」（相田先生）
支撐日本化學製造業的中小企業中，許多都擁有卓越的成型加工技術。在東京大學 100% 出資的風險投資機構—東京大學協創平台開發（東大 IPC）的支持下，研究團隊希望能將其擁有的專業知識與企業豐富的經驗相結合，以加快邁向社會實裝的開發速度。
相田先生表示，為了邁向實用化，「最理想的狀態是由擁有相同目標的企業與組織組成聯盟（Consortium）並建立合作體制，藉此共享各項技術，並在各自不斷改良的過程中推動技術發展。」據悉，相田氏的團隊目前也已透過各種創意與技術，克服了多個最初認為難以解決的障礙。
在美容業界中，為了實現包裝的永續性，雖然已嘗試過回收、循環再利用、補充包，以及使用生物可分解塑膠或再生玻璃等方式，但目前仍僅止於企業或品牌單位的個別行動，尚未能對整個產業產生顯著影響。就此而言，這種能被鹽水溶解的塑膠是一種全新的路徑，並有望成為一項解決方案。
相對於擁有約 100 年歷史的傳統塑膠，超分子塑膠發表至今還不到一年。相田先生指出邁向實用化的挑戰：「這段歷史差距影響巨大。特別是對長期生產塑膠的企業而言，這意味著必須大幅改變包含現有製造流程在內的供應鏈，現實情況是企業很難產生執行到那種程度的想法，在接受或引進新事物上存在著門檻。」
另一方面，塑膠問題、環境議題以及氣候變遷危機已刻不容緩。據悉，曾拜訪相田先生的海外企業高層表示「（解決問題的）熱情是最重要的」，並帶著未來評估應用的意向回國。隨著這類企業不斷增加，即便起步的門檻較高，但在社會氛圍的支持下，這項創新材料仍被寄予厚望，有望徹底改變塑膠產業的世界。
撰文: 佐藤まきこ（Makiko Sato）（原文網址）
精選圖片: 東京大学
本文出自經營 @cosme的日本上市公司 istyle 集團 旗下媒體 BeautyTech.jp，專注報導全球美妝科技與創新趨勢。並由CMRI美妝行銷總研全責翻譯。
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