Materiāls, kas iegūts no tabakas, ir tikpat stiprs kā koks vai plastmasa

Tabakas lapas Alekss Plesovskis | izšļakstīties

Cilvēces atkarība no plastmasas ir nopietna problēma. Šis materiāls ir iegūts no naftas un parasti beidzas kā atkritumu poligonā un/vai sadedzināšanas iekārtā. Jebkurā gadījumā tas nav ilgtspējīgi. Tātad, kāpēc gan neizstrādāt videi draudzīgākus biokompozītmateriālus?

Tas nav tik vienkārši, kā izklausās. Lielākā daļa bioloģiski noārdāmo plastmasu ir balstītas uz matricas struktūru, kas iegūta no naftas. Tas ir tāpēc, ka bioloģiskajām matricām parasti trūkst izturības lielākajai daļai inženiertehnisko un strukturālo lietojumu.

Pēc tam ir dabīgais koks, ko var apstrādāt, lai piešķirtu tai īpašības, kas konkurē ar tēraudu un keramiku. Bet šai apstrādei ir nepieciešama barga ķīmiska apstrāde, kas nav videi draudzīga.

Tāpēc ir liela interese atrast veidus, kā parastos augus pārvērst biokompozītos, kas ir ilgtspējīgi un pēc mehāniskās veiktspējas ir salīdzināmi ar apstrādātu koksni un tradicionālo plastmasu.

Ienāciet Elefterija Roumeli un kolēģi Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā. Šī komanda ir atradusi veidu, kā pārvērst šūnas no tabakas augiem par ļoti spēcīgu materiālu ar koksnei līdzīgām mehāniskām īpašībām. Mēs esam izstrādājuši jaunu metodi, lai izveidotu dabiskus biokompozītmateriālus, kuru pamatā ir augu šūnas, viņi saka. [Materiālu] stingrība un izturība pārspēj līdzīga blīvuma komerciālās plastmasas, piemēram, polistirola un zema blīvuma polietilēna, stingrību un izturību, vienlaikus pilnībā bioloģiski noārdoties.

Ražošanas metode ir vienkārša. Komanda sāk ar šūnām no zālaugu auga Nicotiana tabacum, ko tie audzē šķidrā suspensijā laboratorijā. Šis plaši audzētais augs ražo lapas, kas tiek pārstrādātas tabakā.

Šīs šūnas ir labi izpētītas un viegli pieejamas pētniekiem. Dažas šūnu līnijas, piemēram, BY-2 līnija, nedēļas laikā var savairoties 100 reizes, ja tās audzē suspensijā. Roumeli un co nenorāda, kāda veida šūnu viņi izmanto, lai gan BY-2 šūnas šķiet saprātīga izvēle, ņemot vērā dokumenta atsauces.

Katrai šūnai ir šūnu siena, ko stiprina mikrofibrils, kas izgatavotas no olbaltumvielām un celulozes, kas efektīvi savieno sienu kopā. Šūnu siena aptver šūnas kodolu, dažāda veida biomolekulāras iekārtas enerģijas apstrādei un tā tālāk, kā arī citoplazmu, kuras lielākā daļa ir ūdens. (BY-2 šūnu līnijas nefotosintēzē un tāpēc nesatur hlorofilu).

Pēc šūnu kultivēšanas komanda novāc un saspiež tās veidnē. Veidne ir caurlaidīga, lai ļautu ūdenim izplūst. Viņi saka, ka kompresijas laikā ūdens izkliedējas caur augu šūnu sieniņu, un šūnu tilpums pakāpeniski samazinās.

Patiešām, šī procesa laikā šūnas zaudē 98% no sava svara. Lielāko daļu no tā izraisa ūdens iztvaikošana, taču notiek arī citi procesi, piemēram, sarežģītu biomolekulu, tostarp pektīnu, hemicelulozes un fenola savienojumu, sadalīšanās.

Pēc tam komanda sasilda dehidrēto materiālu. Tas izraisa mikrofibrilu fāzes pāreju un kristālisku struktūru veidošanos. Iegūtais materiāls ir biokompozīts, kas sastāv no neviendabīga dabiski sintezētu biopolimēru maisījuma, piemēram, Roumeli un co.

Un tas ir ārkārtīgi grūts. Komanda izmērīja tā mehāniskās īpašības un salīdzināja to ar skujkokiem, piemēram, priedi; cietkoksnes, piemēram, papele, ozols un valrieksts; un komerciālais saplāksnis un MDF. Viņi to arī salīdzināja ar līdzīga blīvuma sintētiskām plastmasām, piemēram, polistirolu, polipropilēnu un zema blīvuma polietilēnu.

Rezultāti atklāj, cik labs ir šis materiāls. Mūsu biokompozītu mehāniskā veiktspēja ir salīdzināma ar komerciāli ražotu koksni un plastmasu, saka Roumeli un citi. Tie pārsniedz visas literatūrā norādītās vērtības materiāliem, kas sastāv no augu šūnām, micēliju vai rauga matricām.

Kā biokompozīti (BC) veidojas pret koku un plastmasu.

Komanda turpina padarīt materiālu vēl stiprāku, pievienojot oglekļa šķiedru. Patiešām, tie var vēl vairāk pielāgot biokompozīta īpašības ar piedevām, kas padara to vadošu vai magnētisku.

Svarīgs ilgtspējības jautājums ir tas, kā šis materiāls noārdās tā dzīves beigās. Baidās, ka šāda veida apstrāde rada biopolimērus, kas ir tik spēcīgi, ka viegli nesadalās.

Lai to noskaidrotu, Roumeli un citi apraka savus paraugus lauksaimniecības augsnē kopā ar parastu koksni un vēroja, kas notika. Abi paraugi sākotnēji ieguva svaru, absorbējot ūdeni no augsnes. Bet tad abas salūza dabiski.

Nosakāmais masas zudums biokompozītu bioloģiskās noārdīšanās dēļ sākas 3 nedēļas pēc inkubācijas, savukārt dabiskajam kokam tas sākas apmēram 7 nedēļas vēlāk, norāda komanda. Mēs novērojam gandrīz pilnīgu biokompozīta bioloģisko noārdīšanos 14 nedēļas pēc sākotnējās inkubācijas.

Tas ir interesants darbs, kas ir pelnījis papildu uzmanību. Bioloģiski noārdāmi klēpjdatori, kāds?

Atsauce: arxiv.org/abs/1909.01926 : uz augu šūnām balstīti bioloģiskie matricas kompozīti

paslēpties