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 robust wie viele heute gebräuchliche Kunststoffe und könnte Plastik in vielen gängigen Haushaltsprodukten ersetzen. Das Material wurde mithilfe eines neuartigen Ansatzes zum Zusammenbau von Pflanzenproteinen zu Materialien hergestellt, die das Spinnennetz auf molekularer Ebene nachahmen.
Ein "grüner" Film
Das energieeffiziente Verfahren, das nachhaltige Inhaltsstoffe verwendet, 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 erfordert das von Cambridge entwickelte Material keine chemischen Modifikationen seiner natürlichen Bausteine. Das "vegane" Spinnennetz baut sich ohne Hilfe, sicher und 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 einführen. Sie können den Kunststoff ersetzen, der in Alltagsprodukten wie Geschirrspültabs und Waschmittelkapseln verwendet wird. 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 hat Yusuf Hamied 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 Wechselwirkungen von Proteinen es uns ermöglichen, gesund zu bleiben, und wie unregelmäßige Wechselwirkungen mit Alzheimer in Verbindung stehen“, sagt Knowles, der die Forschung zum Spinnennetz leitete. „Es war eine Überraschung zu entdecken, 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 haben. „Wir fanden heraus, dass ein Schlüssel, der dem Spinnennetz seine Stärke verleiht, darin besteht, dass die Wasserstoffbrückenbindungen regelmäßig im Raum und in einer sehr hohen Dichte angeordnet sind“, sagte Knowles.
Co-Autor Dr. Marc Rodríguez García, der jetzt Forschungs- und Entwicklungsleiter bei Xampla ist, hat begonnen zu untersuchen, wie diese regelmäßige Selbstorganisation in anderen Proteinen repliziert werden kann. Proteine haben eine Neigung zur molekularen Selbstorganisation und Selbstorganisation, und insbesondere Pflanzenproteine sind reichlich vorhanden und können als Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie nachhaltig bezogen werden.
„Über die Selbstorganisation von Pflanzenproteinen ist sehr wenig bekannt, und es ist spannend zu wissen, dass wir durch das Schließen dieser Wissenslücke Alternativen finden können Kunststoff wegwerfbar“, sagt er Ayaka Kamada, der Erstautor des Artikels.
Ein Spinnennetz ... mit Soja
Die im Spinnennetz gefundenen Strukturen replizierten die Forscher erfolgreich mit das 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. In gewisser Weise sind wir beim „veganen Spinnennetz“ angelangt: das gleiche Material, aber ohne Wurm und ohne Spinne.
Ein Konzentrat an Technologie
Pflanzenproteine wie Sojaproteinisolat (SPI) sind in der Regel schlecht wasserlöslich. Dies macht es schwierig, ihre Selbstorganisation 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. Dieses Verfahren erzeugt Proteinstrukturen mit verstärkten intermolekularen Wechselwirkungen, die durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen angetrieben werden. In einem zweiten Schritt wird dann das Lösungsmittel entfernt.
Das „vegane Spinnennetz“ hat eine Leistung, die 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
