Et materiale afledt af tobak er lige så stærkt som træ eller plastik

Tobaksblade Alex Plesovsky | unsplash

Menneskehedens afhængighed af plastik er et betydeligt problem. Dette materiale er afledt af råolie og ender generelt sin levetid som losseplads og/eller i et forbrændingsanlæg. Uanset hvad er det uholdbart. Så hvorfor ikke udvikle biokompositter, der er mere miljøvenlige?

Det er ikke så enkelt, som det lyder. De fleste biologisk nedbrydelige plastik er afhængige af en matrixstruktur afledt af petroleum. Det skyldes, at biologiske matrixer generelt mangler styrken til de fleste tekniske og strukturelle applikationer.

Så er der naturligt træ, som kan forarbejdes for at give det egenskaber, som kan konkurrere med stål og keramik. Men denne forarbejdning kræver hårde kemiske behandlinger, der ikke er miljøvenlige.

Så der er stor interesse for at finde måder at omdanne almindelige planter til biokompositter, der er bæredygtige og sammenlignelige i mekanisk ydeevne med forarbejdet træ og med konventionel plast.

Indtast Eleftheria Roumeli og kolleger ved California Institute of Technology. Dette hold har fundet en måde at forvandle celler fra tobaksplanter til et enormt stærkt materiale med trælignende mekaniske egenskaber. Vi har udviklet en ny metode til at skabe naturlige biokompositmaterialer baseret på planteceller, siger de. [Materialernes] stivhed og styrke overgår den for kommerciel plast med lignende densitet, såsom polystyren og lavdensitetspolyethylen, mens de er fuldstændig biologisk nedbrydelige.

Fremstillingsmetoden er ligetil. Holdet starter med celler fra urteplanten Nicotiana tabacum, som de dyrker i flydende suspension i laboratoriet. Denne meget dyrkede plante producerer blade, der forarbejdes til tobak.

Disse celler er velundersøgte og let tilgængelige for forskere. Nogle cellelinjer, såsom BY-2-linjen, kan formere sig 100 gange inden for en uge, når de dyrkes i suspension. Roumeli og co siger ikke, hvilken slags celle de bruger, selvom BY-2-celler virker et rimeligt valg i betragtning af papirets referencer.

Hver celle har en cellevæg, der er styrket af mikrofibriller lavet af proteiner og cellulose, som effektivt binder væggen sammen. Cellevæggen omslutter cellekernen, forskellige slags biomolekylære maskiner til behandling af energi og så videre, og cytoplasmaet, hvoraf meget er vand. (BY-2 cellelinjer fotosyntetiserer ikke og indeholder derfor ikke klorofyl).

Efter at have dyrket cellerne, høster holdet og komprimerer dem i en form. Formen er permeabel, så vandet kan slippe ud. Under kompression diffunderer vand gennem plantens cellevæg, og cellevolumenet reduceres gradvist, siger de.

Faktisk taber cellerne 98% af deres vægt under denne proces. Det meste af dette skyldes vandfordampning, men der er andre processer i gang, såsom nedbrydning af komplekse biomolekyler, herunder pektiner, hemicellulose og phenolforbindelser.

Holdet opvarmer derefter det dehydrerede materiale. Dette får mikrofibrillerne til at gennemgå faseovergange og danne krystallinske strukturer. Det opnåede materiale er et biokomposit, der består af en heterogen blanding af naturligt syntetiserede biopolymerer, siger Roumeli og co.

Og det er bemærkelsesværdigt hårdt. Holdet målte dets mekaniske egenskaber og sammenlignede det med nåletræer såsom fyrretræ; hårdttræ som poppel, eg og valnød; og kommerciel krydsfiner og MDF. De sammenlignede det også med syntetisk plast med lignende densitet, såsom polystyren, polypropylen og lavdensitetspolyethylen.

Resultaterne afslører, hvor godt dette materiale er. Den mekaniske ydeevne af vores biokompositter er sammenlignelig med den af ​​kommercielt fremstillet træ og plast, siger Roumeli og co. De overgår alle litteraturrapporterede værdier for materialer sammensat af planteceller, mycelium eller gærmatricer.

Hvordan biokompositter (BC) former sig mod træ og plast.

Holdet fortsætter med at gøre materialet endnu stærkere ved at tilføje kulfiber. De kan nemlig yderligere finjustere biokomposittens egenskaber med additiver, der gør den ledende eller magnetisk.

Et vigtigt spørgsmål for bæredygtighed er, hvordan dette materiale nedbrydes ved slutningen af ​​dets levetid. Frygten er, at denne form for forarbejdning producerer biopolymerer, der er så stærke, at de ikke let nedbrydes.

For at finde ud af det begravede Roumeli og co deres prøver i landbrugsjord sammen med noget almindeligt træ og så, hvad der skete. Begge prøver tog til at begynde med i vægt ved at absorbere vand fra jorden. Men så brød begge naturligt sammen.

Det påviselige massetab på grund af bionedbrydning af biokompositerne begynder 3 uger efter inkubation, mens det for naturligt træ begynder omkring 7 uger senere, siger teamet. Vi observerer en næsten fuldstændig bionedbrydning af biokompositten 14 uger efter indledende inkubation.

Det er et interessant arbejde, der fortjener yderligere opmærksomhed. Biologisk nedbrydelige bærbare computere, nogen?

Ref: arxiv.org/abs/1909.01926 : Plantecelle-baserede biologiske matrix-kompositter

skjule