Medan många städer och åtta stater har förbjudit engångsplast, påsar och andra polyetenförpackningar täpper fortfarande igen deponier och förorenar floder och hav.

Ett stort problem med återvinning av polyeten, som utgör en tredjedel av all plastproduktion i världen, är ekonomiskt:Återvunna påsar hamnar i lågvärdiga produkter, såsom däck och byggmaterial, ger lite incitament att återanvända avfallet.

En ny kemisk process utvecklad vid University of California, Berkeley, omvandlar polyetenplast till ett starkt och mer värdefullt lim och kan förändra den kalkylen.

"Visionen är att du skulle ta en plastpåse som inte är värdefull, och istället för att slänga den, där det hamnar på en soptipp, du skulle förvandla det till något av högt värde, sade John Hartwig, Henry Rapoports ordförande i organisk kemi vid UC Berkeley och ledare för forskargruppen. "Du kunde inte ta all denna återvunna plast - hundratals miljarder pund polyeten produceras varje år - och förvandla den till ett material med vidhäftande egenskaper, men om du tar en bråkdel av det och förvandlar det till något som är av högt värde, som kan förändra ekonomin i att förvandla resten av det till något som är av lägre värde."

För de flesta plaster, återvinning innebär att hacka upp det och forma det till generiska produkter, i processen att slänga ut många av egenskaperna som omsorgsfullt konstruerats i den ursprungliga plasten, såsom smidighet och enkel bearbetning. Och medan nya metoder för återvinning kan bryta ner plast till sina kemiska beståndsdelar för användning som bränsle eller smörjmedel, dessa produkter, för, är lågvärdiga och kan vara miljömässigt tveksamma – ett annat fossilt bränsle att bränna – eller ha en kort livslängd.

För att göra återvinning mer attraktivt, forskare och plastindustrin har letat efter sätt att "upcycle" - det vill säga, omvandla återvunnen plast till något mer värdefullt och med längre livslängd.

Den kemiska process som Hartwig och hans kollegor utvecklade behåller många av de ursprungliga egenskaperna hos polyeten, men lägger till en kemisk grupp till polymeren som gör att den fastnar på metall:något polyeten klarar sig normalt dåligt. Hans team visade att den modifierade polyetenen till och med kan målas med vattenbaserad latex. Latex skalar enkelt av standard lågdensitetspolyeten, kallas LDPE.

Uppsatsen som beskriver denna process kommer att publiceras online den 17 december i tidskriften Chem och kommer att dyka upp i januaris tryckta upplaga.

"Vi kan förbättra vidhäftningen, samtidigt som alla andra egenskaper hos polyeten som industrin finner så användbara bevaras, " sa medförfattaren Phillip Messersmith, klassen 1941 professor vid UC Berkeleys avdelningar för bioteknik och materialvetenskap och ingenjörskonst. "Bearbetbarheten, termisk stabilitet och mekaniska egenskaper verkar vara oskadda samtidigt som de förbättrar vidhäftningen. Det är knepigt att göra. Det är verkligen där vi har några spännande saker att visa."

Även om processen ännu inte är ekonomisk för industriell användning, Hartwig tror att det kan förbättras och kan vara utgångspunkten för att lägga till andra egenskaper förutom klibbighet. Framgången antyder också att andra katalysatorer skulle kunna fungera med andra typer av plast, såsom polypropen som finns i återvunna plastflaskor, att producera mer värdefulla produkter som är ekonomiskt attraktiva.

Tweaking kolvätekedjor

Hartwig är specialiserad på att designa nya katalytiska processer – i det här fallet, lägga till små kemiska enheter till stora kolvätekedjor, eller polymerer, på mycket specifika platser — för att skapa "funktionaliserade polymerer" med nya och användbara egenskaper. Sådana reaktioner är svåra, eftersom ett stort försäljningsargument för plast är att de är resistenta mot kemiska reaktioner.

För detta projekt, han ville se om han kunde lägga till en hydroxylgrupp - syre bundet till väte, eller OH - vid en liten del av kol-vätebindningarna längs polyetenkedjan.

"Polyeten har vanligtvis mellan 2, 000 och 10, 000 kol i en kedja, med två väteatomer på varje kol — verkligen, det är ett hav av CH2-grupper, kallas metylener, " sa han. "Vi doppade i litteraturen för att leta efter den mest aktiva katalysatorn vi kunde hitta för funktionalisering av en metylenposition."

Katalysatorn skulle behöva arbeta vid höga temperaturer, eftersom den fasta återvunna plasten måste smältas. Också, det måste fungera i ett lösningsmedel som är opolärt, och därmed kan blandas med polyeten, som är opolär. Detta är en anledning till att den inte fastnar på metaller, som är polära, eller laddas.

Hartwig och postdoktor Liye Chen bestämde sig för en ruteniumbaserad katalysator (polyfluorerad ruteniumporfyrin) som uppfyllde dessa krav och som också kunde lägga till OH-grupper till polymerkedjan utan att den mycket reaktiva hydroxylen bryter isär polymerkedjan.

Reaktionen, förvånande, tillverkade en polyetenförening som fäster tätt på aluminiummetall, förmodligen med hjälp av OH-molekylerna fästa längs polyetens kolvätekedja. För att bättre förstå vidhäftningen, Chen slog sig ihop med Katerina Malollari, en doktorand i Messersmiths labb, som fokuserar på biologiska vävnader med vidhäftande egenskaper – i synnerhet, ett lim som produceras av musslor.

Chen och Malollari upptäckte att tillsats av en relativt liten andel alkohol till polymeren ökade vidhäftningen 20 gånger.

"Katalysen införde kemiska förändringar på mindre än 10% av polymeren, men förbättrade dramatiskt dess förmåga att fästa på andra ytor, sa Messersmith.

Att få polyeten att fästa på saker – inklusive latexfärg – öppnar upp för många möjligheter, han lade till. Konstgjorda höftskålar och knäimplantat integrerar ofta polyeten med metallkomponenter och kan göras för att fästa bättre på metall. Funktionaliserad polyeten kan användas för att belägga elektriska ledningar, tillhandahålla limet som klistrar ihop andra polymerer – i mjölkkartonger, till exempel – eller göra mer hållbara kompositer av plast och metall, som i leksaker.

"Verktyget här är att kunna introducera dessa funktionella grupper, som hjälper till att lösa många långvariga problem i polyetenvidhäftning:vidhäftning av polyeten till annan polyeten eller till andra polymerer, såväl som till metall, sa Messersmith.

Hartwig förutser fler möjligheter för funktionalisering av komplexa polymerer, inklusive den vanligaste plasten, polypropen.

"Vi är en av de enda grupperna någonstans som selektivt har kunnat introducera en funktionell grupp till långkedjiga kolvätepolymerer, " sa han. "Andra människor kan bryta kedjorna, och andra kan cykla kedjorna, men att faktiskt introducera en polär funktionell grupp i kedjorna är något som ingen annan har kunnat göra."