Ett material som härrör från tobak är lika starkt som trä eller plast

Tobaksblad Alex Plesovsky | unsplash

Mänsklighetens beroende av plast är ett stort problem. Detta material kommer från petroleum och slutar i allmänhet som deponi och eller i en förbränningsugn. Hur som helst, det är ohållbart. Så varför inte utveckla biokompositer som är mer miljövänliga?

Det är inte så enkelt som det låter. De flesta biologiskt nedbrytbara plaster är beroende av en matrisstruktur som härrör från petroleum. Det beror på att biologiska matriser i allmänhet saknar styrka för de flesta tekniska och strukturella tillämpningar.

Sedan finns det naturligt trä som kan bearbetas för att ge det egenskaper som kan konkurrera med stål och keramik. Men denna bearbetning kräver hårda kemiska behandlingar som inte är miljövänliga.

Så det finns ett intensivt intresse för att hitta sätt att förvandla vanliga växter till biokompositer som är hållbara och jämförbara i mekanisk prestanda med bearbetat trä och med konventionell plast.

Ange Eleftheria Roumeli och kollegor vid California Institute of Technology. Detta team har hittat ett sätt att förvandla celler från tobaksplantor till ett enormt starkt material med träliknande mekaniska egenskaper. Vi har utvecklat en ny metod för att skapa naturliga biokompositmaterial baserade på växtceller, säger de. [Materialens] styvhet och styrka överträffar den hos kommersiella plaster med liknande densitet, som polystyren och lågdensitetspolyeten, samtidigt som de är helt biologiskt nedbrytbara.

Tillverkningsmetoden är okomplicerad. Teamet börjar med celler från den örtartade växten Nicotiana tabacum, som de odlar i flytande suspension i labbet. Denna allmänt odlade växt producerar löv som bearbetas till tobak.

Dessa celler är väl studerade och lättillgängliga för forskare. Vissa cellinjer, såsom BY-2-linjen, kan föröka sig 100 gånger inom en vecka när de odlas i suspension. Roumeli och co säger inte vilken typ av cell de använder, även om BY-2-celler verkar vara ett rimligt val med tanke på tidningens referenser.

Varje cell har en cellvägg som stärks av mikrofibriller gjorda av proteiner och cellulosa, som effektivt knyter ihop väggen. Cellväggen omsluter cellkärnan, olika typer av biomolekylära maskiner för att bearbeta energi och så vidare, och cytoplasman, varav mycket vatten. (BY-2-cellinjer fotosyntetiserar inte och innehåller därför inte klorofyll).

Efter att ha odlat cellerna skördar teamet och komprimerar dem i en form. Formen är genomsläpplig för att tillåta vatten att rinna ut. Vid kompression diffunderar vatten genom växtens cellvägg och cellvolymen minskar gradvis, säger de.

Faktum är att cellerna förlorar 98% av sin vikt under denna process. Det mesta av detta beror på vattenavdunstning, men det finns andra processer på gång, såsom nedbrytningen av komplexa biomolekyler inklusive pektiner, hemicellulosa och fenoliska föreningar.

Teamet värmer sedan det uttorkade materialet. Detta gör att mikrofibrillerna genomgår fasövergångar och bildar kristallina strukturer. Det erhållna materialet är en biokomposit, som består av en heterogen blandning av naturligt syntetiserade biopolymerer, säger Roumeli och co.

Och det är anmärkningsvärt tufft. Teamet mätte dess mekaniska egenskaper och jämförde det med barrträd som tall; hårda träslag som poppel, ek och valnöt; och kommersiell plywood och MDF. De jämförde det också med syntetisk plast med liknande densitet, såsom polystyren, polypropen och lågdensitetspolyeten.

Resultaten visar hur bra detta material är. Den mekaniska prestandan hos våra biokompositer är jämförbar med den för kommersiellt framställda träslag och plaster, säger Roumeli och co. De överträffar alla litteraturrapporterade värden för material som består av växtceller, mycel eller jästmatriser.

Hur biokompositer (BC) formar sig mot trä och plast.

Teamet fortsätter att göra materialet ännu starkare genom att lägga till kolfiber. Faktum är att de kan finjustera egenskaperna hos biokompositen ytterligare med tillsatser som gör den ledande eller magnetisk.

En viktig fråga för hållbarhet är hur detta material bryts ned i slutet av sin livslängd. Rädslan är att denna typ av bearbetning ger biopolymerer som är så starka att de inte lätt bryts ner.

För att ta reda på det begravde Roumeli och co sina prover i jordbruksjord tillsammans med lite vanligt ved och såg vad som hände. Båda proverna ökade initialt i vikt genom att absorbera vatten från jorden. Men sedan gick båda sönder naturligt.

Den detekterbara massaförlusten på grund av biologisk nedbrytning av biokompositerna börjar 3 veckor efter inkubation, medan det för naturligt trä börjar cirka 7 veckor senare, säger teamet. Vi observerar en nästan fullständig biologisk nedbrytning av biokompositen 14 veckor efter initial inkubation.

Det är ett intressant arbete som förtjänar ytterligare uppmärksamhet. Biologiskt nedbrytbara bärbara datorer, någon?

Ref: arxiv.org/abs/1909.01926 : Växtcellsbaserade biologiska matriskompositer

Dölj