喬治亞理工學院的研究人員最近開發了一種受到海洋貝殼啟發的材料，這一創新可能徹底改變回收塑料的使用方式，使其更強韌、更一致，且生產成本更低。這項由航空工程助理教授 Christos Athanasiou 領導的研究，預計能將原料包裝材料的成本降低近 50%，同時減少廢物進入填埋場的機會。這項工作直接針對了回收過程中的不一致性問題，這是回收利用中面臨的主要挑戰之一。據統計，每年生產的 3.5 億噸塑料中，能有效回收的比例不足 10%。即使回收成功，所得到的材料在高性能應用中往往無法信賴。
在傳統的機械回收過程中，塑料通常會被熔化並混合成不穩定的混合物，這種隨機性會導致材料變得更脆弱且不可靠，無法用於汽車部件或建築材料等關鍵用途。然而，海洋貝殼則在不完美中展現了其強度。貝殼的結構由脆性的礦物“磚”與柔軟的蛋白質“砂漿”組成，這種架構能有效分散能量，防止災難性失效，從而在不追求純度的情況下創造出強度。Athanasiou 的團隊從這一自然策略中汲取靈感，設計出他們的合成複合材料。
研究團隊使用回收的高密度聚乙烯（HDPE），這種透明的拉伸膜通常用於包裹托盤貨物，並將其切割成薄片。這些“磚”與柔軟的粘合聚合物“砂漿”層疊在一起，以模仿貝殼的結構。在一個定制的機械測試裝置上進行測試時，這種受生物啟發的材料在保留原始塑料性能的同時，將關鍵性能指標——最大延伸率的變異性降低了超過 68%。研究人員還開發了一種“不確定性意識”的張力剪切鏈模型，量化不僅是強度，還有性能的可靠性。
通常情況下，HDPE 拉伸膜在回收後無法重新用於其原有用途，因為陽光、熱量和應力會改變其分子結構。Athanasiou 將此情況比喻為“在未檢查撕裂的情況下重複使用降落傘”。然而，基於海洋貝殼的這一方法卻能恢復材料的可靠性，開啟高性能再利用的潛力。儘管這項研究的重點放在塑料上，但其與航空航天的關聯也非常明顯。太空系統需要在極端環境下保持可靠性的材料，未來相同的原則可能有助於 NASA 的月球回收挑戰，將廢物材料重新利用於生存基礎設施中。
接下來，研究團隊計劃將這一方法擴展到其他塑料，結合更環保的粘合劑，並探索其在地外建設中的潛力，證明自然在海洋中所完善的技術能夠幫助解決地球及更廣泛範圍的廢物問題。Athanasiou 認為，“無論是可重複使用的火箭部件還是火星上的庇護所，我們都需要在整個生命周期中都能保持韌性的材料。我們的研究解決了一個基本的力學問題：如何用不可靠的材料構建可靠的結構？”團隊目前正在將這一方法擴展到其他回收塑料，並嘗試使用生物基粘合劑以提高可持續性。他補充道：“自然並不追求純淨，而是進行組織。”
