Naukowcy stworzyli ultracienkie spaghetti metodą elektroprzędzenia nie do spożycia, ale do zastosowań takich jak rusztowania medyczne i dostarczanie leków.
To spaghetti jest wykonane z mąki, aby zmniejszyć wpływ na środowisko w porównaniu z tradycyjnymi metodami wykorzystującymi oczyszczoną skrobię, oferując nowe podejście do produkcji nanowłókien.
Spaghetti z nanowłókien
Zespół naukowców pod kierownictwem UCL stworzył najcieńsze spaghetti na świecie, mierzące około 200 razy cieńsze od ludzkiego włosa.
To ultradelikatne spaghetti nie jest nowym wynalazkiem kulinarnym, ale innowacyjnym materiałem o znaczącym potencjale w medycynie i przemyśle. Te niewiarygodnie cienkie pasma, zwane nanowłókienami, wykonane są ze skrobi – substancji powszechnie wykorzystywanej przez rośliny do magazynowania nadmiaru glukozy.
Postęp w zastosowaniach nanowłókien
Nanowłókna na bazie skrobi są obiecujące w wielu zastosowaniach, w tym w bandażach gojących rany, gdzie ich wysoce porowata struktura umożliwia przenikanie wilgoci, jednocześnie zapobiegając przedostawaniu się bakterii. Mogą również służyć jako rusztowanie do regeneracji kości i jako nośniki do podawania leków. Jednak konwencjonalne metody produkcji nanowłókien skrobiowych wymagają ekstrakcji i oczyszczania skrobi z roślin, a jest to proces pochłaniający duże ilości wody i energii.
Naukowcy twierdzą, że metodą bardziej przyjazną dla środowiska jest wytwarzanie nanowłókien bezpośrednio ze składnika bogatego w skrobię, takiego jak mąka, z której powstaje makaron.
Elektroprzędzenie: rewolucyjna technika
W nowym numerze w Postęp w nanoskalizespół opisuje wytwarzanie spaghetti o średnicy zaledwie 372 nanometrów (miliardowych części metra) przy użyciu techniki zwanej elektroprzędzeniem, w której nitki mąki i płynu przeciągają ładunek elektryczny przez czubek igły. Pracę wykonała Beatrice Britton, która przeprowadziła badania w ramach studiów magisterskich z chemii na UCL.
Współautor, dr Adam Clancy (UCL Chemistry), powiedział: „Aby zrobić spaghetti, wciskasz mieszaninę wody i mąki przez metalowe otwory. W naszym badaniu zrobiliśmy to samo, z tą różnicą, że przeciągnęliśmy mieszaninę mąki za pomocą ładunku elektrycznego. To dosłownie spaghetti, ale znacznie mniejsze.”
Porównania i potencjał nanowłókien
W swoim artykule naukowcy opisują kolejny najcieńszy znany makaron, tzw su filindeu („nici Boga”), wykonane ręcznie przez producenta makaronów w miejscowości Nuoro na Sardynii. Ten makaron luga („długi makaron”) ma szacowaną szerokość około 400 mikronów – 1000 razy grubszą od nowego tworu elektroprzędzonego, który przy 372 nanometrach jest węższy niż niektóre długości fal światła.
Nowatorska „nanopasta” utworzyła matę z nanowłókien o średnicy około 2 cm, dzięki czemu jest widoczna, ale każda pojedyncza nić jest zbyt wąska, aby można ją było wyraźnie uchwycić jakąkolwiek kamerą lub mikroskopem w świetle widzialnym, dlatego ich szerokość zmierzono za pomocą elektronu skaningowego mikroskop.
Perspektywy i wyzwania na przyszłość
Współautor, profesor Gareth Williams (UCL School of Pharmacy), powiedział: „Nanowłókna, takie jak te wykonane ze skrobi, wykazują potencjał do zastosowania w opatrunkach na rany, ponieważ są bardzo porowate. Ponadto bada się możliwość wykorzystania nanowłókien jako rusztowania do regeneracji tkanki, ponieważ naśladują macierz zewnątrzkomórkową – sieć białek i innych cząsteczek budowanych przez komórki, aby się utrzymać”.
Dr Clancy powiedział: „Skrobia to obiecujący materiał do wykorzystania, ponieważ występuje w dużych ilościach i jest odnawialny – jest drugim co do wielkości źródłem biomasy na Ziemi, po celulozie – oraz ulega biodegradacji, co oznacza, że może zostać rozłożona w organizmie.
„Ale oczyszczanie skrobi wymaga dużo przetwarzania. Pokazaliśmy, że możliwy jest prostszy sposób wytwarzania nanowłókien przy użyciu mąki. Następnym krokiem byłoby zbadanie właściwości tego produktu. Chcielibyśmy na przykład wiedzieć, jak szybko się rozpada, jak oddziałuje z komórkami i czy można go wyprodukować na dużą skalę”.
Profesor Williams dodał: „Niestety nie sądzę, żeby był przydatny jako makaron, ponieważ rozgotowałby się w mniej niż sekundę, zanim można byłoby go wyjąć z patelni”.
Proces i wyzwania związane z elektroprzędzeniem z mąką
W procesie elektroprzędzenia igła zawierająca mieszaninę i metalowa płytka, na której osadza się mieszaninę, tworzą dwa końce baterii. Przyłożenie ładunku elektrycznego powoduje, że mieszanina zamyka obwód, wypływając z igły na metalową płytkę.
Elektroprzędzenie przy użyciu składnika bogatego w skrobię, takiego jak biała mąka, jest trudniejsze niż użycie czystej skrobi, ponieważ zanieczyszczenia – białko i celuloza – sprawiają, że mieszanina jest bardziej lepka i nie tworzy włókien.
Naukowcy wykorzystali mąkę i mrówkę kwas zamiast wody, ponieważ kwas mrówkowy rozbija gigantyczne stosy spiral (lub helis), które tworzą skrobię. Dzieje się tak dlatego, że warstwy sklejonych ze sobą helis są zbyt duże, aby stanowić budulec nanowłókien. (Gotowanie ma taki sam wpływ na skrobię jak kwas mrówkowy – rozbija warstwy helis, dzięki czemu makaron staje się strawny.)
Następnie kwas mrówkowy odparowuje, gdy makaron leci w powietrzu na metalową płytkę.
Naukowcy musieli także ostrożnie podgrzewać mieszaninę przez kilka godzin, a następnie powoli ją schładzać, aby upewnić się, że ma odpowiednią konsystencję.
Odniesienie: „Nanopasta: Electrospinning Nanofibres of White Flour” Beatrice Britton, Fangyuan Zhang, David Benbow Anthony, Cesar III DL Reyes, Michal Pawlus, Gareth R. Williams i Adam J. Clancy, 30 października 2024 r., Postęp w nanoskali.
DOI: 10.1039/D4NA00601A
