Nowy samonaprawiający się materiał węglowy może pomóc w walce ze zmianami klimatu

Biologia często może być ostateczną inspiracją projektową. Ostatnio inżynierowie z MIT byli w stanie wyjąć liść z podręcznika natury, aby zaprojektować materiał, który sam się leczy i negatywny dla węgla. Jest to nowe, mile widziane narzędzie w walce ze zmianami klimatycznymi i może pewnego dnia zastąpić emisje ciężkimi materiałami, takimi jak beton, znacznie mniej wymagającą konserwacji i przyjazną dla środowiska alternatywą.

W nowym badaniu opublikowanym w Zaawansowane materiały, Inżynierowie chemicy zademonstrowali, jak zaprojektować materiał zdolny do wyciągania dwutlenku węgla ogrzewającego klimat z powietrza, a następnie używać go do wzrostu i naprawy. Badanie, prowadzone przez profesora Michaela Strano z MIT, przełamuje bariery w dziedzinie nauk o materiałach, dzięki niedrogiemu, prostemu w produkcji, samonaprawiającemu się polimerowi, który wymaga minimalnej ilości materiału.

„Nasz materiał potrzebuje jedynie atmosferycznego dwutlenku węgla i światła otoczenia, które są wszechobecne”, wyjaśnia współautor Seonyeong Kwak wyjaśnia Odwrotność w wiadomości e-mail.

Własności samoleczące często wydają się być dramatycznymi cudami zarezerwowanymi dla świata zwierząt, na przykład gekonami odrastającymi ogonami i rozgwiazdą odrastającymi z całych kończyn (lub jeszcze dzikiej, kończyn, które odrastają całe ciało). Ludzkość pogrążyła się w regeneracji, projektując miękkie roboty, które mogą się naprawiać i samonaprawiającą się powłokę telefonu, aby zakończyć koszmar rozbitych ekranów. Jednak poprzednie metody często wymagają wejścia zewnętrznego, takiego jak światło UV, ogrzewanie lub obróbka chemiczna. Ten nowy polimer ma znacznie niższą konserwację i posiada łatwo dostępne, obfite źródło energii: dwutlenek węgla.

Chloroplasty zawierające węgiel są kluczem

„Wyobraź sobie syntetyczny materiał, który może rosnąć jak drzewa, pobierając węgiel z dwutlenku węgla i wprowadzając go do kręgosłupa materiału”, wyjaśnia Strano w komunikacie prasowym.

Wykorzystując chloroplasty, składnik roślin, które zbierają i przekształcają światło w energię, zespół Strano umożliwił to.

Zawieszony w hydrożelu jest polimer zwany aminopropylometakrylamidem (APMA), stabilizowane chloroplasty usuwane ze szpinaku i enzym zwany oksydazą glukozową (GOx). Pod wpływem światła słonecznego chloroplasty wytwarzają glukozę. Następnie włącza się enzym GOx, zamieniając glukozę w glukonolakton (GL), który reaguje z APMA, aby zatoczyć koło, tworząc materiał, z którego składa się sam hydrożel, polimetakrylamid zawierający glukozę (GPMAA). Naukowcy mogą dosłownie zobaczyć, jak materiał wyrasta w ciało stałe z postaci płynnej.

Chociaż chloroplasty są kluczem do polimeru i atrakcyjne ze względu na ich obfitość, stanowiły również wyzwanie dla projektowania. Jako składniki biologiczne chloroplasty nie są zmotywowane do działania, gdy są oddzielone od swoich domów - po usunięciu ich zdolności fotosyntetyzujące trwają zaledwie kilka godzin do dnia, maksymalnie. Na razie chemiczna obróbka chloroplastów zwiększyła stabilność i produkcję glukozy, ale naukowcy mają nadzieję przejść na alternatywę niebiologiczną.

Samoleczenie dla zrównoważonego rozwoju

Wraz z rosnącą pilnością opracowania bardziej zrównoważonych metod życia, polimer obiecuje pomóc zresetować myślenie o utrzymaniu środowiska wokół nas.

„Nasza praca pokazuje, że dwutlenek węgla nie musi być wyłącznie ciężarem i kosztem”, mówi Strano. „To także szansa w tym zakresie. Wszędzie jest węgiel. Budujemy świat za pomocą węgla. Ludzie są zbudowani z węgla. Wykonanie materiału, który może uzyskać dostęp do obfitego węgla wokół nas, jest znaczącą szansą dla nauki o materiałach. W ten sposób nasza praca polega na wytwarzaniu materiałów, które są nie tylko neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, ale także ujemne pod względem emisji dwutlenku węgla. ”

Materiał nie jest wystarczająco mocny do budowy na dużą skalę, ale krótkoterminowe zastosowania, takie jak wypełnianie pęknięć lub samonaprawiających się powłok, mogą być realizowane w ciągu zaledwie 1-2 lat.

„Nauka o materiałach nigdy nie stworzyła czegoś takiego” - powiedział Strano Wiadomości MIT. „Te materiały naśladują niektóre aspekty życia, nawet jeśli nie są reprodukowane”.