Nhựa polystyrene có mặt ở khắp mọi nơi – từ bao bì đựng thực phẩm, mút xốp đóng gói đến các bộ phận ô tô – nhờ ưu điểm bền vững và chi phí cực rẻ. Tuy nhiên, trong số hơn 20 triệu tấn nhựa PS được sản xuất mỗi năm trên toàn cầu, chỉ có 1% được tái chế thành công, phần lớn còn lại bị chôn lấp ở các bãi rác.

Đặc tính trơ về mặt hóa học vốn giúp loại nhựa này bền bỉ trong quá trình sử dụng lại trở thành "con dao hai lưỡi", khiến việc phân hủy hay chuyển hóa chúng bằng các phản ứng hóa học thông thường gặp vô vàn khó khăn. Các phương pháp tái chế PS hiện tại thường tiêu tốn rất nhiều năng lượng, đòi hỏi nhiệt độ cao, sử dụng hóa chất đắt tiền hoặc cho ra hiệu suất thấp.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Journal of the American Chemical Society đã mở ra một hướng đi hoàn toàn khác khi tận dụng lưu huỳnh nguyên tố – sản phẩm phụ dư thừa hàng triệu tấn từ quá trình lọc dầu thô, thường xuyên bị chất đống ngoài trời trong nhiều thập kỷ. Phương pháp này giải quyết cùng lúc hai vấn đề lớn về tính bền vững.

Trong hệ thống mới, lưu huỳnh đóng vai trò kép: vừa là chất phản ứng hóa học, vừa là chất quang nhiệt có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời để chuyển hóa thành nhiệt năng cần thiết cho phản ứng. Các nhà khoa học đã trộn rác thải nhựa thực tế (như thìa nhựa, hộp sữa chua, mút xốp) với lưu huỳnh, sau đó đặt hỗn hợp dưới một chiếc gương cầu lõm để hội tụ ánh sáng mặt trời.

Dưới tác động của ánh sáng và lưu huỳnh, nhiệt độ hỗn hợp nhanh chóng tăng vọt lên khoảng 300°C, thúc đẩy quá trình chuyển hóa diễn ra chớp nhoáng. Chỉ trong vòng 2 phút ở điều kiện môi trường bình thường, không cần dung môi hóa học, hỗn hợp đã tan chảy thành một chất lỏng màu đen đỏ.

Từ chất lỏng này, nhóm nghiên cứu đã phân lập được hai phân tử hóa chất có giá trị cao: 2,4-diphenylthiophene (với hiệu suất 34%) và 1,3,5-triphenylbenzene (hiệu suất 16%). Hóa chất đầu tiên có thể được sử dụng để chế tạo các vật liệu quang điện tử và chất bán dẫn hiệu suất cao. Trong khi đó, hóa chất thứ hai sở hữu cấu trúc phẳng cứng độc đáo, đóng vai trò là thành phần cơ sở lý tưởng để chế tạo các vật liệu chức năng tiên tiến.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính đã làm sáng tỏ cơ chế của hiện tượng này: chính các gốc tự do phản ứng của lưu huỳnh đã khởi động quá trình bằng cách tách các nguyên tử hydro ra khỏi chuỗi nhựa polystyrene.

Đột phá này đã chứng minh tiềm năng to lớn của lưu huỳnh nguyên tố trong việc thúc đẩy các chiến lược nâng cấp và tái chế polyme bằng năng lượng sạch. Nếu được nhân rộng ở quy mô công nghiệp, đây có thể là một giải pháp vô cùng thiết thực để giải quyết thách thức toàn cầu ngày càng gia tăng về rác thải nhựa chưa qua xử lý.