Materiał pozyskiwany z tytoniu jest tak mocny jak drewno czy plastik

Liście tytoniu Alex Plesowski | unsplash

Poleganie ludzkości na plastiku jest poważnym problemem. Ten materiał jest pozyskiwany z ropy naftowej i zazwyczaj kończy swoje życie jako składowisko odpadów lub w spalarni. Tak czy inaczej, to nie do utrzymania. Dlaczego więc nie opracować biokompozytów, które są bardziej przyjazne dla środowiska?

To nie jest takie proste, jak się wydaje. Większość biodegradowalnych tworzyw sztucznych opiera się na strukturze matrycy pochodzącej z ropy naftowej. Dzieje się tak, ponieważ matrycom biologicznym generalnie brakuje siły do ​​większości zastosowań inżynieryjnych i konstrukcyjnych.

Do tego dochodzi naturalne drewno, które można poddać obróbce, aby nadać mu właściwości rywalizujące ze stalą i ceramiką. Ale to przetwarzanie wymaga surowej obróbki chemicznej, która nie jest przyjazna dla środowiska.

Tak więc istnieje duże zainteresowanie znalezieniem sposobów na przekształcenie zwykłych roślin w biokompozyty, które są zrównoważone i porównywalne pod względem wydajności mechanicznej z przetworzonym drewnem i konwencjonalnymi tworzywami sztucznymi.

Wprowadź Eleftherię Roumeli i współpracowników z California Institute of Technology. Zespół ten znalazł sposób na przekształcenie komórek tytoniu w niezwykle wytrzymały materiał o właściwościach mechanicznych przypominających drewno. Mówią, że opracowaliśmy nową metodę tworzenia naturalnych materiałów biokompozytowych na bazie komórek roślinnych. Sztywność i wytrzymałość [materiałów] przewyższają komercyjne tworzywa sztuczne o podobnej gęstości, takie jak polistyren i polietylen o niskiej gęstości, a jednocześnie są całkowicie biodegradowalne.

Metoda produkcji jest prosta. Zespół zaczyna od komórek z rośliny zielnej Nikotyna tabacum, które hodują w płynnej zawiesinie w laboratorium. Ta powszechnie uprawiana roślina wytwarza liście, które są przetwarzane na tytoń.

Komórki te są dobrze zbadane i łatwo dostępne dla badaczy. Niektóre linie komórkowe, takie jak linia BY-2, mogą namnażać się 100-krotnie w ciągu tygodnia, gdy rosną w zawiesinie. Roumeli i spółka nie mówią, jakiego rodzaju komórki używają, chociaż komórki BY-2 wydają się rozsądnym wyborem, biorąc pod uwagę referencje w artykule.

Każda komórka ma ścianę komórkową wzmocnioną mikrowłókienkami zbudowanymi z białek i celulozy, które skutecznie ją wiążą. Ściana komórkowa otacza jądro komórkowe, różne rodzaje maszynerii biomolekularnej do przetwarzania energii itd., a także cytoplazmę, której większość stanowi woda. (Linie komórkowe BY-2 nie ulegają fotosyntezie, a więc nie zawierają chlorofilu).

Po wyhodowaniu komórek zespół zbiera je i kompresuje w formie. Forma jest przepuszczalna, aby umożliwić ucieczkę wody. Mówią, że podczas kompresji woda dyfunduje przez ścianę komórek roślinnych i stopniowo zmniejsza się objętość komórek.

Rzeczywiście, podczas tego procesu komórki tracą 98% swojej wagi. Większość z nich wynika z parowania wody, ale zachodzą też inne procesy, takie jak degradacja złożonych biocząsteczek, w tym pektyn, hemicelulozy i związków fenolowych.

Zespół następnie podgrzewa odwodniony materiał. Powoduje to, że mikrofibryle przechodzą przemiany fazowe i tworzą struktury krystaliczne. Otrzymany materiał jest biokompozytem, ​​składającym się z niejednorodnej mieszaniny naturalnie syntetyzowanych biopolimerów, powiedzmy Roumeli i spółka.

I jest to niezwykle trudne. Zespół zmierzył jego właściwości mechaniczne i porównał z drewnem iglastym, takim jak sosna; drewno liściaste, takie jak topola, dąb i orzech; oraz sklejki komercyjnej i MDF. Porównali go także z syntetycznymi tworzywami sztucznymi o podobnej gęstości, takimi jak polistyren, polipropylen i polietylen o małej gęstości.

Wyniki pokazują, jak dobry jest ten materiał. Wydajność mechaniczna naszych biokompozytów jest porównywalna z właściwościami komercyjnego drewna i tworzyw sztucznych, mówią Roumeli i spółka. Przewyższają wszystkie wartości podawane w literaturze dla materiałów składających się z komórek roślinnych, grzybni lub matryc drożdży.

Jak biokompozyty (BC) kształtują się na drewnie i plastiku.

Zespół kontynuuje prace nad wzmocnieniem materiału, dodając włókno węglowe. Rzeczywiście, mogą dodatkowo dostroić właściwości biokompozytu za pomocą dodatków, które sprawiają, że jest on przewodzący lub magnetyczny.

Ważnym pytaniem dla zrównoważonego rozwoju jest to, jak ten materiał ulega degradacji pod koniec swojego życia. Istnieje obawa, że ​​w wyniku tego rodzaju przetwarzania powstają biopolimery, które są tak silne, że nie ulegają łatwo rozkładowi.

Aby się tego dowiedzieć, Roumeli i współpracownicy zakopali swoje próbki w ziemi uprawnej wraz ze zwykłym drewnem i obserwowali, co się stało. Obie próbki początkowo przybrały na wadze, wchłaniając wodę z gleby. Ale potem obaj załamali się naturalnie.

Zespół twierdzi, że wykrywalny ubytek masy spowodowany biodegradacją biokompozytów zaczyna się 3 tygodnie po inkubacji, podczas gdy w przypadku naturalnego drewna zaczyna się około 7 tygodni później. Obserwujemy prawie całkowitą biodegradację biokompozytu 14 tygodni po początkowej inkubacji.

To ciekawa praca, która zasługuje na dalszą uwagę. Czy ktoś ma biodegradowalne laptopy?

Nr ref.: arxiv.org/abs/1909.01926 : Kompozyty z matrycą biologiczną na bazie komórek roślinnych

ukryć