MADMEC小组用材料科学解决塑料废物问题

在今年10月15日举行的MADMEC竞赛中，一个用可降解塑料替代不可降解塑料的团队获得了第一名。

ecoTrio团队由三名麻省理工学院(MIT)的博士生组成，他们在年度材料科学项目(materials science program)中获得了1万美元的大奖，因为他们的可生物降解混合物模仿各种塑料。第二名的奖项授予了小矮星彼得，它将活细菌整合到塑料生产中，以提高塑料降解性。为农民生产低成本传感器的无线之星公司位居第三。

管理MADMEC的材料科学与工程学院(DMSE)的高级讲师Michael Tarkanian告诉MIT新闻:“每年似乎都有一些自然的主题。”“今年有很多塑料消费后回收项目，其中两个进入了决赛。我认为塑料最近受到了很多关注，海洋里的垃圾堆积如山，海洋动物受伤。也许这影响了学生。”

口头和海报展示是去年春天开始的团队项目的高潮，包括整个夏天的一系列设计挑战。每个团队都得到了指导，获得了设备，以及高达1000美元的资金来建造和测试他们的原型。

评判这些团队的依据是他们在从想法到原型的过程中所完成的工作。对ecoTrio来说，这意味着创造一种符合成本、机械和可持续发展目标的材料。

Tarkanian说:“这些想法都是从零开始的，目标是测试它们的可行性并开发硬件，这样当项目结束时，学生们就知道它们是否可行了。”

不可降解塑料的替代品

ecoTrio的核心产品是三种材料，其中两种公司认为是专有的。第一种是一种聚合物，它很容易被生物降解，但很难加工，而且价格昂贵，无法单独与塑料竞争。第二种材料是一种可生物降解的塑料聚合物，它很便宜，而且使用工业设备更容易大规模加工。第三个组件由细粒度的木材颗粒组成，团队使用这些颗粒进一步降低混合的成本，并根据不同的用途调整最终产品。

ecoTrio成员Ty Christoff-Tempesta说:“我们的目标是创造一种替代塑料材料，这种材料完全来自可再生资源，具有与目前使用的塑料相同的性能，在使用寿命结束时，无论它最终在哪里，都可以进行生物降解。”

玛格丽特·李(Margaret Lee)和萨拉·舍费尔斯(Sara Sheffels)也在研究小组中。她们说，这种塑料的成本和熔点与传统塑料类似，而强度和柔韧性可以根据添加的木材颗粒的比例进行调整。

为了证明他们的产品可以替代塑料的范围，研究小组展示了一些样品，包括一个硬汤匙，以及一些柔性的袋子状材料。

“今天，我们都认识到一次性塑料是一种环境危机，但作为消费者，我们一直与他们接触，无论是食品、化妆品还是家用产品的包装，”Christoff-Tempesta说。“我们经常看到它们的原因是它们非常便宜和方便。”

在ecoTrio的演示中，团队成员还注意到，来自消费者和政府的公司使用更可持续的包装的压力越来越大。

其他有前途的项目

排名第二的小矮星彼得则采取了不同的方法来解决塑料垃圾问题。各种方法被用来加快塑料使用和收集后的分解。不幸的是，绝大多数的塑料根本没有被回收利用。

小矮星彼得小组成员、博士生莱昂纳多·佐恩伯格说:“有些塑料需要1000年才能降解，这可能会导致海洋中的塑料岛形成等后果。”

考虑到这些问题，小矮星彼得决定在塑料制品生产的过程中，将分解细菌整合到塑料制品中。当他们选择的细菌，枯草芽孢杆菌，与一种糖填充物结合时，它可以在用来塑形许多塑料的高温下存活。

研究小组还发现，在某些情况下，添加这种细菌对塑料的强度和弹性影响很小。

Zornberg承认，人们在使用含有活菌的塑料制品时犹豫不决，这可能会带来负面影响，但他指出，他的团队选择的菌株经常被用于为人类、牲畜和农业补品生产益生菌。

未来，研究小组相信基因工程可以进一步增强细菌的降解能力，甚至可以赋予它其他能力，如自我清洁和抗菌素防御。

“我们选择芽孢杆菌的原因之一是它是一种模式生物，”Zornberg告诉MIT新闻。“人们非常了解如何通过基因工程来改造和修改它的菌株，它也被用于工业化规模的酶的生产，所以这两件事都表明，如果我们想要改造这种细菌以用于未来的应用，它将是合适的。”

无线之星打破了今年塑料的流行趋势，为小规模的农民发明了一种低成本的传感器。该传感器利用了反光板，它是一种立方体结构，可以从各种角度有效地将定向光反射回光源。

该团队的产品包括由凝胶制成的小型反光板，这些凝胶可以分散在农田里。生物可降解凝胶可以根据不同的化学刺激改变颜色和光学性质。这些变化可以用定向光发射器和探测器来观察，它们可以是农民拿着的特殊手电筒，也可以是配备了摄像头的无人机。

“无线电之星”的原型机可以根据不同的PH值改变颜色，但研究小组相信它的传感器可以用来监测各种土壤状况。

“这只是一个概念的证明，它可以用来测试PH值，但我们可以推断它来测试一系列不同的参数，”无线电之星团队成员Sara Wilson说，她是DMSE的一名大学生。例如，氮、水和磷对不同类型的作物生长非常重要。

在实践中学习

总的来说，Tarkanian认为今年的项目是成功的，不仅是因为项目的潜力，还因为在最后的展示中，我们边做边学。

Tarkanian说:“(MADMEC的)高级目标是给学生机会，让他们有机会做一些具体的事情，把他们在课堂上学到的知识应用到实践中去。”

Zornberg认为，与校园里的其他创业项目相比，MADMEC项目侧重于早期的风险创造，帮助材料科学学生思考成功创新的过程。

Zornberg说:“有机会探索与商业计划分离的原型设计，这确实是一个让工科学生思考产品设计的好方法。”