Naukowcy z Instytutu Weizmanna opracowali biodegradowalny materiał kompozytowy, który może odegrać znaczącą rolę w rozwiązaniu światowego kryzysu związanego z odpadami z tworzyw sztucznych.
Miliardy ton plastikowych odpadów zaśmiecają naszą planetę. Większość z nich gromadzi się na lądzie, osadza się w oceanach lub rozpada się na drobne cząsteczki zwane mikroplastikami, które zanieczyszczają powietrze i wodę, przenikając do roślinności oraz krwiobiegu ludzi i zwierząt. Zagrożenie stwarzane przez tworzywa sztuczne wzrasta z każdym rokiem, ponieważ składają się one z masywnych cząsteczek zwanych polimerami, które są odporne na biodegradację. Obecnie tworzywa biodegradowalne stanowią mniej niż jedną piątą całkowitej produkcji tworzyw sztucznych, a procesy wymagane do ich rozkładu są nadal stosunkowo uciążliwe.
W badaniu opublikowanym w ACS Nanodr Angelica Niazov-Elkan, dr Haim Weissman i profesor Boris Rybtchinski z Wydziału Chemii Molekularnej i Nauki o Materiałach Instytutu Naukowego Weizmanna stworzyli nowe tworzywo kompozytowe, które łatwo ulega degradacji przy użyciu bakterii. Ten nowy materiał, wytwarzany przez połączenie biodegradowalnego polimeru z kryształami substancji biologicznej, ma trzy główne zalety: jest tani, łatwy w przygotowaniu i bardzo mocny. W badaniu uczestniczyli także nieżyjący już dr Eyal Shimoni, dr XiaoMeng Sui, dr Yishay Feldman i prof. H. Daniel Wagner.
Obecnie wiele gałęzi przemysłu entuzjastycznie przyjmuje tworzywa kompozytowe, które powstają w wyniku połączenia dwóch lub więcej czystych materiałów i posiadają różne korzystne właściwości, takie jak lekkość i wytrzymałość. Tworzywa te służą obecnie do produkcji kluczowych części szerokiej gamy produktów przemysłowych, od samolotów i samochodów po rowery.
Powstanie kompozytowych tworzyw sztucznych
Chcąc stworzyć kompozytowe tworzywo sztuczne, które spełniałoby potrzeby przemysłu, a jednocześnie było przyjazne dla środowiska, badacze Weizmanna postanowili skupić się na powszechnych, niedrogich materiałach źródłowych, których właściwości można poprawić. Odkryli, że cząsteczki tyrozyny – dominującej grupy aminowej kwas tworzący wyjątkowo mocne nanokryształy – może znaleźć zastosowanie jako skuteczny składnik biodegradowalnego tworzywa kompozytowego. Po zbadaniu, jak tyrozyna łączy się z kilkoma rodzajami polimerów, wybrali hydroksyetylocelulozę, pochodną celulozy, powszechnie stosowaną w produkcji leków i kosmetyków.
Sama hydroksyetyloceluloza jest słabym materiałem, który łatwo się rozpada. Aby połączyć go z tyrozyną, oba materiały zmieszano we wrzącej wodzie. Po ochłodzeniu i wysuszeniu powstało wyjątkowo mocne tworzywo kompozytowe, wykonane z włóknistych nanokryształów tyrozyny, które wrosły w hydroksyetylocelulozę i zintegrowały się z nią. W jednym eksperymencie, który ujawnił wytrzymałość nowego tworzywa sztucznego, pasek materiału o grubości 0,04 milimetra wytrzymał obciążenie 6 kilogramów.
Co więcej, zespół odkrył, że nowy materiał ma kilka innych unikalnych właściwości, dzięki czemu jest jeszcze bardziej przydatny dla przemysłu. Zwykle po wzmocnieniu materiał traci plastyczność.
Unikalne właściwości i potencjał przemysłowy
Jednak to nowe tworzywo kompozytowe jest nie tylko bardzo mocne, ale także bardziej plastyczne (plastyczne) niż jego główny składnik, hydroksyetyloceluloza. Inaczej mówiąc, połączenie tych dwóch materiałów stworzyło synergię, która objawia się pojawieniem się niezwykłych właściwości, a co za tym idzie, ma ogromny potencjał przemysłowy.
Ponieważ zarówno celuloza, jak i tyrozyna – których kryształki można znaleźć w różnych rodzajach twardych serów – są jadalne, tak naprawdę można jeść biodegradowalny kompozytowy plastik. Czy to też jest smaczne? Będziemy musieli poczekać, aby się dowiedzieć: ponieważ proces produkcji w laboratorium nie jest wystarczająco higieniczny w przypadku artykułów spożywczych, badacze jeszcze się nie opamiętali.
Rybtchinski podsumowuje: „Badanie uzupełniające, które już rozpoczęliśmy, mogłoby zwiększyć potencjał komercyjny tego nowego materiału, ponieważ gotowanie w wodzie zastąpiliśmy topnieniem, co jest bardziej powszechne w przemyśle. Oznacza to, że podgrzewamy biodegradowalne polimery, aż staną się płynne, a następnie mieszamy je z tyrozyną lub innymi odpowiednimi materiałami. Jeśli uda nam się przezwyciężyć wyzwania naukowe i techniczne związane z tym procesem, będziemy mogli zbadać możliwość produkcji tego nowego tworzywa kompozytowego na skalę przemysłową.
Odniesienie: „Emergent Self-Assembly of Sustainable Plastics Based on Amino Acid Nanocrystals” autorstwa Angeliki Niazov-Elkan, Haima Weissmana, Eyala Shimoniego, XiaoMeng Sui, Yishaya Feldmana, H. Daniela Wagnera i Borisa Rybtchinskiego, 23 października 2023 r., ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c02528
Badania prof. Borisa Rybtchinskiego są wspierane przez Centrum Zaawansowanych i Inteligentnych Materiałów Toma i Mary Beck oraz fundację charytatywną Wolfson Family Charitable Trust i Fundację Wolfson.
