Créer des conteneurs en plastique qui se dégradent facilement dans l'eau de mer serait une solution de rêve au problème croissant des déchets plastiques dans l'océan, mais une équipe de chercheurs de Penn State New Kensington suggère que, au moins pour l'instant, le recyclage et la recherche d'alternatives au plastique peuvent toujours être le meilleur moyen de gérer ces déchets.

Dans une étude, les chercheurs ont utilisé un algorithme d'apprentissage automatique pour classer plus de 110 types de plastiques, y compris les variétés commerciales et fabriquées en laboratoire, pour mieux comprendre comment ils pourraient se dégrader dans l'océan, dit Robert Mathers, professeur de chimie.

"L'une des choses que nous voulions savoir, c'est ce qui va arriver à la grande quantité de plastique qui se trouve dans l'océan, " a déclaré Mathers. " Cette étude a pris un large éventail de données sur les propriétés physiques, en combinaison avec une métrique qui quantifierait la composition des structures moléculaires et l'utilisait pour essayer de comprendre les aspects les plus importants de la dégradation du plastique dans l'océan."

Selon l'Ocean Conservancy, il y a plus de 150 millions de tonnes de plastique dans l'océan, avec 8 millions de tonnes de plus entrant dans l'océan chaque année. Les chercheurs, qui ont publié leurs conclusions dans un récent numéro de Communication Nature , a déclaré qu'un certain nombre de facteurs dans l'océan peuvent aider à décomposer ce plastique, y compris le rayonnement ultraviolet du soleil, vent, vagues, eau de mer, température de l'eau et bactéries. Ils ont découvert que certains types de plastiques se dégradaient plus rapidement que d'autres lorsqu'ils étaient soumis à ces conditions.

Tout en connaissant la structure moléculaire des plastiques les plus sensibles pourrait donner aux ingénieurs une chance de développer des plastiques ayant moins d'impact sur l'environnement, Mathers a déclaré que l'économie de la production de ces plastiques à grande échelle serait toujours un problème.

"D'autres ont suggéré la possibilité de mettre un maillon faible dans la structure moléculaire d'un plastique qui pourrait accélérer la dégradation de ce brin d'atomes, " dit Mathers. " Maintenant, c'est une bonne idée, mais, à l'heure actuelle, ce n'est peut-être pas une option économiquement faisable. C'est juste difficile de rivaliser économiquement avec le polyéthylène et le polypropylène, qui sont les plastiques les plus utilisés dans le monde. Donc, nous voulons probablement continuer à nous concentrer sur le recyclage car c'est l'aide la plus immédiate."

L'équipe a abordé le problème du plastique dans l'océan en rassemblant autant de données sur la structure moléculaire des différents plastiques et d'informations sur le comportement de ces plastiques dans l'eau de mer, à la fois sur le terrain et dans des conditions de laboratoire.

« De la littérature, nous avons pu obtenir des informations sur les propriétés physiques du plastique qui se trouvent dans l'océan, par exemple, poids moléculaires, la température de transition vitreuse, la quantité de cristallinité, mais compte tenu de la composition moléculaire était une opportunité négligée. À cet égard, nous avons compris comment traduire la structure moléculaire en une métrique que nous avons appelée hydrophobie, quelle est la quantité que le matériau est susceptible d'absorber de l'eau ou de vouloir être en contact avec de l'eau, " dit Mathers.

Kyungjun Min, une deuxième majeure en biochimie, qui était le premier auteur de l'article, a aidé à calculer ces valeurs d'hydrophobie.

Il y a tellement de types de plastiques et tellement de conditions expérimentales, l'apprentissage automatique est devenu essentiel pour aider les chercheurs à trier la grande quantité de données, ainsi que de classer ces informations, selon Joseph Cuiffi, un professeur assistant, qui a travaillé avec Mathers.

« Nous avons commencé par une analyse de données de base pour explorer et trier les données, puis nous sommes passés à l'apprentissage automatique prédictif pour nous aider à élucider les modèles et les tendances, " a déclaré Cuiffi. " L'apprentissage automatique nous a aidés à déterminer les relations clés et à développer des règles pour prédire le comportement plastique. "

Après avoir expérimenté plusieurs modèles d'apprentissage automatique, les chercheurs ont opté pour un arbre de décision, approche d'apprentissage automatique. Les membres de l'Institute for Computational and Data Sciences et Materials Research Institute ont aidé l'équipe en fournissant un accès à des outils d'apprentissage automatique.

"Nous avons d'abord essayé des modèles de régression, mais les incohérences des conditions expérimentales dans notre ensemble de données ont rendu cela difficile, " a déclaré Cuiffi. " Les apprenants de la classification ont travaillé beaucoup mieux, et arbres de décision, Plus précisément, ont été utiles car ils ont fourni une visibilité sur les règles apprises, qui a fourni des informations sur le comportement chimique et physique."

Cuiffi a ajouté que l'apprentissage automatique et la science des données, en général, est également utile pour ce type de recherche interdisciplinaire.

"Je pense que les outils modernes disponibles pour l'analyse des données nous permettent d'explorer de grands ensembles de données variées plus facilement que jamais auparavant, " a-t-il déclaré. " J'apprécie également les efforts interdisciplinaires dans ce domaine, avec cette étude par exemple, parce que les chercheurs externes peuvent examiner les données de manière agnostique. Pour cette étude, J'apportais souvent des résultats au Dr Mathers sans savoir s'ils avaient du sens – et il aimait vraiment découvrir ce que les données montraient. Si j'avais plus de perspicacité dans la chimie, J'ai peut-être biaisé l'analyse avec mon point de vue."

Selon Mathers, l'étude a également montré comment la science des données et la science des matériaux peuvent contribuer à résoudre des problèmes qui ont peut-être déjà été considérés en dehors de leurs domaines.

« Je m'étais intéressé à la durabilité, matériaux durables et cette idée de chimie verte depuis longtemps, " a déclaré Mathers. " Et quand nous avons examiné les études dans la littérature actuelle, nous avons découvert qu'il y avait beaucoup de gens qui étudiaient les plastiques dans l'océan et la plupart de ces chercheurs étaient des océanographes, biologistes marins, écologistes, et biologistes marins. Ils faisaient un travail vraiment intéressant, mais d'un point de vue matériel, aucune étude systématique n'était disponible."

Il a ajouté que davantage de travail doit être fait pour enquêter sur les plastiques dans l'océan, y compris l'ajout de données supplémentaires.