Plastic thường yếu đi sau nhiều vòng tái chế: Carbon xốp dùng ánh sáng muốn kéo polymer trở lại monomer

Phần lớn plastic được gọi là “tái chế” hiện nay không thực sự quay về trạng thái ban đầu. Với tái chế cơ học, chai, hộp hoặc màng nhựa được phân loại, nghiền, rửa rồi nung chảy để tạo thành vật liệu mới. Cách này tương đối đơn giản và đã có hạ tầng công nghiệp, nhưng mỗi vòng gia nhiệt và gia công có thể làm thay đổi mạch polymer; tạp chất, pigment và các loại nhựa trộn lẫn còn khiến tính chất vật liệu khó giữ nguyên.

Một nhóm tại Princeton University đang thử đi theo hướng khác: thay vì giữ nguyên các chuỗi polymer dài rồi tiếp tục nung chảy chúng, họ dùng ánh sáng và một khối carbon xốp để bẻ các chuỗi đó trở lại monomer hoặc những phân tử nhỏ có thể dùng lại làm nguyên liệu hóa học. Nghiên cứu, công bố trên Nature Communications tháng 8/2026, đã thử cách này trên nhiều họ polymer, từ polystyrene và acrylic tới PET, PLA và polycarbonate.

Điểm quan trọng là không nên hiểu kết quả như một công nghệ đã có thể “reset mọi loại plastic”. Hiệu suất thay đổi đáng kể giữa từng vật liệu, một số phản ứng vẫn cần hóa chất hoặc catalyst bổ sung, và các thử nghiệm scale-up lớn nhất mới ở mức 2–10 gram. Nhưng nghiên cứu đặt ra một cách tiếp cận đáng chú ý cho chemical recycling: tạo nhiệt ngay tại nơi polymer tiếp xúc với vật liệu hấp thụ ánh sáng, thay vì nung nóng toàn bộ reactor tới nhiệt độ rất cao.

Tái chế cơ học giữ polymer lại — và đó cũng là giới hạn của nó

Plastic là những chuỗi dài được ghép từ các đơn vị phân tử nhỏ hơn. Trong tái chế cơ học, các liên kết tạo nên chuỗi về cơ bản vẫn được giữ lại. Vật liệu được làm mềm hoặc nóng chảy rồi tạo hình lần nữa.

Ưu điểm của cách này là không cần phá và tái tạo lại polymer từ đầu. Nhưng nhiệt, shear và oxy trong những lần xử lý liên tiếp có thể gây đứt mạch, tạo nhánh hoặc thay đổi cấu trúc phân tử. Mức suy giảm không giống nhau ở mọi polymer và không phải cứ qua một vòng là vật liệu lập tức “yếu đi”: một số hệ vẫn giữ khá tốt tính chất qua nhiều vòng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về PET, polyamide và polyolefin đều cho thấy tái xử lý lặp lại có thể tạo ra biến đổi phân tử và cuối cùng ảnh hưởng tới độ nhớt, độ dẻo hoặc độ bền.

Vấn đề còn khó hơn với rác hậu tiêu dùng. Một chiếc hộp không chỉ chứa polymer; nó có thể mang pigment, chất ổn định, plasticizer, keo, mực in và dấu vết của polymer khác. Paper của nhóm Princeton cũng nhấn mạnh rằng những thành phần này có thể làm chất lượng vật liệu tái chế cơ học giảm xuống.

Chemical recycling đặt mục tiêu khác. Nếu có thể cắt chuỗi polymer một cách chọn lọc để lấy lại monomer, nhà sản xuất về nguyên tắc có thể tinh sạch các phân tử này rồi polymer hóa lại, thay vì tiếp tục kéo dài lịch sử gia nhiệt của chính mạch nhựa cũ.

Carbon xốp biến ánh sáng thành những điểm nóng cục bộ

Nhóm của Yoon-Jung Jang, Craig Arnold và Erin Stache không dùng carbon như một catalyst theo nghĩa thông thường. Vật liệu này đóng vai trò photothermal agent: hấp thụ ánh sáng rồi chuyển năng lượng đó thành nhiệt.

Carbon xốp được tạo từ protein lòng trắng trứng. Sau quá trình xử lý nhiệt, cấu trúc thu được có mạng lỗ rỗng với diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt. Khi chiếu LED, bề mặt carbon nóng lên nhanh và tạo gradient nhiệt rất mạnh ngay sát polymer.

Với polystyrene, nhóm đặt film nhựa trực tiếp lên carbon xốp mà không trộn trước. Khi nhựa nóng chảy, lực mao dẫn kéo polymer vào các lỗ. Chính hình học này giữ chuỗi polymer gần bề mặt nóng, nơi chúng có thể bị cắt thành các phân tử nhỏ hơn. Styrene tạo ra sau phản ứng ở pha hơi có thể thoát khỏi mạng lỗ, giúp cân bằng tiếp tục dịch về phía depolymerization.

Trong một thí nghiệm điển hình, white LED 6000 K chiếu trong 20 phút làm nhiệt độ bulk của hệ tăng từ khoảng 25°C lên 220°C. Nhóm cho rằng nhiệt độ cục bộ gần bề mặt carbon cao hơn đáng kể và là thứ thúc đẩy phản ứng. Phổ hấp thụ siêu nhanh cũng cho thấy năng lượng ánh sáng biến thành dao động nhiệt rất nhanh, phù hợp với cơ chế photothermal hơn là photocatalysis thông thường.

Với polystyrene, gần như toàn bộ polymer phản ứng — nhưng không phải toàn bộ trở thành styrene

Ở thí nghiệm polystyrene chuẩn, gần như toàn bộ film đã phản ứng sau 20 phút, nhưng yield styrene ở điều kiện ban đầu là 57%. Khi tăng cường độ LED, yield tăng lên 66%. Ngay cả khi lượng carbon xốp chỉ bằng 1% khối lượng polystyrene, nhóm vẫn thu được 62% styrene.

Sự khác biệt giữa conversion và monomer yield rất quan trọng. “Gần như toàn bộ plastic biến mất” không có nghĩa gần như toàn bộ khối lượng quay lại đúng monomer ban đầu; một phần có thể thành dimer, trimer hoặc sản phẩm phụ. Vì vậy chemical recycling chỉ thực sự hấp dẫn nếu vừa phá được polymer vừa kiểm soát được sản phẩm.

Carbon xốp cũng có thể dùng lại. Nhóm thực hiện năm vòng depolymerization polystyrene liên tiếp với cùng một khối vật liệu và không thấy yield styrene giảm đáng kể trong chuỗi thử nghiệm đó.

Một nền tảng, nhưng mỗi polymer vẫn cần hóa học riêng

Điểm mà nhóm nghiên cứu gọi là “universal” nằm ở việc cùng một kiến trúc photothermal có thể hỗ trợ nhiều cơ chế depolymerization khác nhau. Nó không có nghĩa tất cả plastic đều đi qua cùng một phản ứng.

PMMA, loại acrylic thường dùng thay kính, cho methyl methacrylate với yield 70% trong thử nghiệm polymer model. Poly(propylene carbonate) tạo propylene carbonate với yield 85% mà không cần catalyst. Poly(L-lactide), hay PLLA, cho lactide 82%, nhưng phản ứng này dùng thêm 2,5 mol% tin(II) octoate.

PET lại cần ethylene glycol để thực hiện phản ứng transesterification. Trong điều kiện của nhóm, PET có thể tạo bis(2-hydroxyethyl) terephthalate, hay BHET, với yield tới 99%. BHET không phải toàn bộ hai monomer ban đầu của PET theo cách người đọc thường hình dung, nhưng là một feedstock có thể đi trở lại chu trình tổng hợp polyester.

Bisphenol-A polycarbonate cho bisphenol A với yield 78%. Ở chiều ngược lại, một số polymer phản ứng kém hơn nhiều: trans-polyisoprene chỉ cho 13% isoprene, còn poly(vinyl alcohol) tạo acetaldehyde với yield 11%. Với poly(vinyl acetate), phản ứng chủ yếu cắt nhóm bên và tạo acetic acid ở yield 88%, tức không phải trường hợp “hoàn nguyên polymer về monomer” theo nghĩa chặt.

Những khác biệt này là lý do nên xem công nghệ như một nền tảng gia nhiệt cục bộ cho depolymerization, chứ chưa phải một máy nhận mọi loại plastic rồi trả ra nguyên liệu nguyên bản.

Điều đáng chú ý hơn là họ đã thử rác plastic thật

Nhóm không dừng ở polymer tinh khiết. Họ thử sáu loại polystyrene hậu tiêu dùng gồm foam, hộp màu đen, cốc trong, nắp hộp thực phẩm, nắp cốc cà phê và vỏ LED.

Một miếng PS foam được đặt trực tiếp lên carbon xốp mà không tiền xử lý và cho 46% styrene sau 20 phút. Hộp PS màu đen cho 51%. Các mẫu khác, một số được ép thành film trước khi chạy phản ứng, cho yield tới 62% sau khi hiệu chỉnh theo độ tinh khiết của mẫu.

Plexiglass bằng PMMA cho 78% methyl methacrylate. Các sản phẩm PLLA như nắp hộp sushi, dao nhựa và cốc cho lactide tới 82%. Một túi nhựa pha PLLA/PBAT tạo lactide từ phần PLLA với yield 70% trong khi vùng PBAT hầu như không phản ứng, cho thấy hệ có thể có một mức chọn lọc nhất định trong vật liệu pha.

Ba mẫu PET hậu tiêu dùng tạo BHET với yield lên tới 99%. Ở các thử nghiệm này, PET được đặt trực tiếp lên carbon xốp cùng ethylene glycol rồi chiếu sáng thay vì phải trộn carbon vào nhựa từ trước.

Scale-up hiện vẫn là một lọ thí nghiệm, không phải dây chuyền tái chế

Nhóm đã tăng quy mô để kiểm tra xem hiệu ứng có biến mất khi lượng plastic lớn hơn hay không. Với 2 gram chai PET cắt nhỏ, sau một giờ chiếu white LED rồi lọc và kết tinh lại, họ thu được BHET với yield 59%.

Với 10 gram cốc polystyrene trong, mẫu được chia vào ba vial chiếu bằng ba LED và nối vào cùng hệ chưng cất chân không. Sau một giờ, 50% styrene được thu hồi. Đây là kết quả hữu ích để chứng minh nguyên lý có thể vượt khỏi quy mô milligram, nhưng 10 gram vẫn cách rất xa throughput của một nhà máy xử lý rác.

Paper cũng chưa cung cấp life-cycle assessment hay techno-economic analysis hoàn chỉnh. Vì thế chưa thể kết luận chiếu LED cộng với chân không, chưng cất và các reagent bổ sung sẽ tiêu tốn ít năng lượng hoặc rẻ hơn các quy trình chemical recycling khác khi scale lên hàng tấn. Chính nhóm tác giả đề xuất flow reactor như một hướng cần phát triển tiếp.

“Trở lại điểm xuất phát” chỉ có ý nghĩa nếu monomer thật sự được đưa vào vòng mới

Closed-loop recycling hấp dẫn vì nó đặt chất lượng vật liệu ở cấp phân tử thay vì cố kéo dài tuổi thọ của một mạch polymer đã trải qua nhiều vòng xử lý. Nếu monomer được thu hồi đủ sạch và đủ chọn lọc, polymer mới có thể được tổng hợp lại mà không nhất thiết mang theo mọi tổn thương cơ học của sản phẩm cũ.

Nhưng từ “có thể depolymerize” tới một vòng tuần hoàn vật liệu thực sự còn nhiều bước: tách hỗn hợp rác, thu hồi và tinh sạch sản phẩm, xử lý phụ gia, tái polymer hóa, tái sử dụng photothermal material và chứng minh cân bằng năng lượng cũng như chi phí ở quy mô công nghiệp.

Điều nghiên cứu Princeton đã chứng minh ở thời điểm này hẹp hơn nhưng vẫn đáng chú ý: một vật liệu carbon xốp giá trị nằm ở cấu trúc chứ không phải catalyst quý hiếm có thể dùng ánh sáng để tạo vùng nhiệt cục bộ, hỗ trợ nhiều phản ứng depolymerization khác nhau và hoạt động trên cả một số plastic hậu tiêu dùng. Bài toán tiếp theo không còn chỉ là “có bẻ polymer về phân tử nhỏ được không”, mà là liệu quá trình đó có thể trở thành một vòng tái chế khép kín hiệu quả hơn khi rời khỏi chiếc vial trong phòng lab hay không.