Forscher der University of Cambridge haben einen Polymerfilm entwickelt, der die Eigenschaften von Spinnennetzen nachahmt, einem der stärksten Materialien in der Natur.
Das neue Material ist so widerstandsfähig wie viele heute gebräuchliche Kunststoffe und könnte Kunststoff in vielen gängigen Haushaltsprodukten ersetzen. Das Material wurde mit einem neuartigen Ansatz zum Zusammenbau von Pflanzenproteinen zu Materialien hergestellt, die das Spinnennetz auf molekularer Ebene nachahmen.
Ein "grüner" Film
Das energieeffiziente Verfahren, bei dem nachhaltige Inhaltsstoffe verwendet werden, führt zu einer kunststoffähnlichen Folie, die im industriellen Maßstab hergestellt werden kann. Das Polymer kann auch gefärbt werden, um wasserbeständige Beschichtungen herzustellen.
Das Material es ist zu Hause kompostierbar, im Gegensatz zu anderen Arten von Biokunststoffen. Und schließlich benötigt das von Cambridge entwickelte Material keine chemischen Modifikationen an seinen natürlichen Bausteinen. Das "vegane" Spinnennetz baut sich ohne Hilfe sicher in allen natürlichen Umgebungen ab.
Das neue Produkt wird vermarktet von Xampla, ein Spin-out-Unternehmen der University of Cambridge. Das Unternehmen wird noch in diesem Jahr eine Reihe von Einwegbeuteln und -kapseln auf den Markt bringen. Sie können den Kunststoff in Alltagsprodukten wie Spülmaschinentabs und Waschmittelkapseln ersetzen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Communications .
Das Geheimnis dieses Spinnennetzes? Pflanzliche Proteine
Seit vielen Jahren, Professor Tuomas Knowles vom Cambridge Department of Chemistry Yusuf Hamied hat das Verhalten von Proteinen erforscht. Ein Großteil seiner Forschung konzentrierte sich darauf, was passiert, wenn sich Proteine "fehlverhalten" und Krankheiten verursachen wie die Alzheimer-Krankheit.
„Normalerweise untersuchen wir, wie funktionelle Interaktionen von Proteinen es uns ermöglichen, gesund zu bleiben und wie unregelmäßige Interaktionen mit Alzheimer in Verbindung gebracht werden“, sagt Knowles, der die Forschung zum Spinnennetz leitete. „Es war eine Überraschung, dass unsere Studie auch ein großes Nachhaltigkeitsproblem angehen könnte: das der Plastikverschmutzung.“
Im Rahmen ihrer Proteinforschung interessierten sich Knowles und sein Team dafür, warum Materialien wie Spinnennetze so stark sind, obwohl sie so schwache molekulare Bindungen aufweisen. „Wir fanden heraus, dass ein Schlüssel, der dem Spinnennetz seine Stärke verleiht, darin besteht, dass die Wasserstoffbrückenbindungen regelmäßig und in einer sehr hohen Dichte im Raum angeordnet sind“, sagte Knowles.
Co-Autor Dr. Marc Rodriguez Garcia, der heute Leiter der Forschung und Entwicklung bei Xampla ist, hat begonnen zu untersuchen, wie sich diese regelmäßige Selbstorganisation in anderen Proteinen nachbilden lässt. Proteine haben eine Neigung zur molekularen Selbstorganisation und Selbstorganisation, und insbesondere pflanzliche Proteine sind reichlich vorhanden und können als Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie nachhaltig gewonnen werden.
„Über die Selbstorganisation pflanzlicher Proteine ist nur sehr wenig bekannt, und es ist spannend zu wissen, dass wir durch das Schließen dieser Wissenslücke Alternativen finden können Kunststoff Einweg“, sagt er Ayaka Kamada, der Erstautor des Artikels.
Ein Spinnennetz… mit Soja
Die im Spinnennetz gefundenen Strukturen replizierten die Forscher erfolgreich mit Sojaproteinisolat, ein Nebenprodukt der Sojaölproduktion. Es ist ein Protein mit einer ganz anderen Zusammensetzung.
Da alle Proteine aus Ketten von Polypeptide, können wir unter den richtigen Bedingungen Pflanzenproteine dazu bringen, sich wie ein Spinnennetz selbst zu organisieren. In einer Spinne wird das Seidenprotein in einer wässrigen Lösung gelöst, die sich dann durch einen sehr energiearmen Spinnprozess zu einer immens starken Faser zusammenfügt.
Tuomas Knowles, Universität von Cambridge
Andere Forscher haben direkt mit Seidenmaterialien als Ersatz für Plastik gearbeitet, aber sie sind immer noch ein tierisches Produkt. Wir sind gewissermaßen beim 'veganen Spinnennetz' angekommen: das gleiche Material, aber ohne Wurm und ohne Spinne.
Ein Konzentrat an Technologie
Normalerweise sind Pflanzenproteine wie Sojaproteinisolat (SPI) in Wasser schlecht löslich. Dies macht es schwierig, ihren Selbstaufbau in geordneten Strukturen zu kontrollieren. Die neue Technik verwendet eine umweltfreundliche Mischung aus Essigsäure und Wasser, kombiniert mit Ultraschall und hohen Temperaturen, um die Löslichkeit von SPI zu verbessern. Diese Methode erzeugt Proteinstrukturen mit verbesserten intermolekularen Wechselwirkungen, die durch die Bildung von Wasserstoffbrücken angetrieben werden. In einem zweiten Schritt wird dann das Lösungsmittel entfernt.
Das "vegane Spinnennetz" hat eine Leistung, die der von Hochleistungs-Technopolymeren wie Polyethylen niedriger Dichte entspricht.
Dies ist der Höhepunkt von etwas, an dem wir seit über zehn Jahren arbeiten, nämlich zu verstehen, wie die Natur Materialien aus Proteinen erzeugt. Wir wollten keine Nachhaltigkeitsherausforderung lösen: Wir waren motiviert von der Neugier, wie aus schwachen Wechselwirkungen starke Materialien entstehen können.
Tuomas Knowles, Universität von Cambridge
