Geoffrey W. Coates e Marc A. Hillmyer

La società moderna dipende dai materiali polimerici, eppure la maggior parte delle plastiche convenzionali è prodotta da risorse fossili e molte rimangono nell’ambiente per lungo tempo dopo l’uso. Le alternative sostenibili devono confrontarsi con la questione dell’origine delle materie prime, dell’efficienza della sintesi, delle prestazioni del prodotto finito e del suo degrado, del suo ritrattamento o riciclaggio dopo l’utilizzo. Geoffrey W. Coates e Marc A. Hillmyer hanno apportato contributi pionieristici e complementari all’intera filiera. Attraverso la progettazione molecolare, la catalisi, l’architettura dei polimeri e l’ingegneria dei materiali, hanno creato nuovi percorsi che partono da risorse di carbonio rinnovabili e recuperate per arrivare a materiali polimerici ad alte prestazioni progettati per la degradazione, il ritrattamento o il riciclaggio.

Hillmyer ha stabilito i principi fondamentali per trasformare i polimeri rinnovabili in materiali pratici. Il suo lavoro sul polilattide, o PLA, e sui poliesteri alifatici correlati ha dimostrato come l’architettura molecolare, la stereochimica e l’organizzazione su scala nanometrica possano superare la fragilità e la gamma limitata di proprietà spesso associate ai polimeri di origine biologica. Combinando segmenti rigidi di PLA con blocchi di poliestere morbidi derivati da lattoni rinnovabili, ha ottenuto plastiche tenaci a base di copolimeri a blocchi, elastomeri termoplastici altamente estensibili e adesivi sensibili alla pressione, con proprietà paragonabili a quelle dei materiali non degradabili di origine petrolchimica. La sua ricerca sui monomeri derivati dallo zucchero, sui poliesteri rapidamente degradabili e sulle reti polimeriche a base di PLA riciclabili ha ulteriormente dimostrato come l’origine rinnovabile, le elevate prestazioni, la riparabilità e la riciclabilità possano essere integrate nello stesso materiale. Questi progressi hanno fornito principi generali di progettazione, compatibilità con i metodi consolidati di lavorazione a fusione e percorsi industrialmente rilevanti per i polimeri sostenibili.

Coates ha rivoluzionato la sintesi dei polimeri grazie a catalizzatori che consentono un controllo preciso sulla composizione, la stereochimica e le proprietà dei polimeri. Ha sviluppato percorsi chimici per ottenere poliidrossialcanoati biodegradabili, o PHA, in cui gli epossidi vengono convertiti in betalattoni e successivamente polimerizzati in materiali con proprietà termiche, meccaniche e di degradazione regolabili. Questi epossidi possono essere ricavati da alcheni rinnovabili, mentre il monossido di carbonio utilizzato nella loro produzione può essere ottenuto dalla riduzione dell’anidride carbonica. Coates è stato inoltre pioniere nello sviluppo di catalizzatori altamente attivi per la copolimerizzazione alternata di anidride carbonica ed epossidi, gettando le basi scientifiche per i policarbonati e i polioli contenenti CO₂ che hanno raggiunto la produzione industriale. Il suo lavoro sui polimeri derivati dai terpeni, sui poliesteri biomedici a sequenza controllata e sul riciclaggio dei polimeri ha esteso questi principi a un’ampia gamma di materiali sostenibili e ha dimostrato un percorso diretto dalla progettazione dei catalizzatori alla produzione su larga scala.

La loro collaborazione ha consentito di combinare questi approcci. In una ricerca condotta congiuntamente, Coates e Hillmyer hanno combinato la sintesi controllata dei polimeri, l’ingegneria dei materiali e l’analisi ambientale per creare elastomeri poliestere con elevate prestazioni meccaniche e una dimostrabile idrolizzabilità enzimatica. Hanno inoltre sviluppato robuste reti di poliestere che possono essere ritrattate tramite scambio dinamico di legami, recuperate come prepolimeri o degradate per via idrolitica. La loro collaborazione si è rafforzata grazie al Center for Sustainable Polymers della National Science Foundation, fondato e diretto da Hillmyer, con Coates a capo del programma di ricerca della Cornell. Il Centro ha riunito ricercatori del mondo accademico e industriale attorno a tematiche quali le materie prime rinnovabili, la polimerizzazione catalitica, le prestazioni dei materiali, la biodegradazione e il riciclaggio chimico. Grazie alle loro scoperte, alla collaborazione e alla leadership scientifica, Coates e Hillmyer hanno delineato un percorso integrato che va dall’innovazione a livello molecolare allo sviluppo di materiali di rilevanza industriale e alla gestione responsabile del loro fine vita, contribuendo a porre le basi per un’economia dei polimeri meno dipendente dalle risorse fossili e caratterizzata da soluzioni di fine vita più rispettose dell’ambiente.

Geoffrey W. Coates; Department of Chemistry and Chemical Biology at Cornell University

Marc A. Hillmyer: University of Minnesota, Department of Chemistry