211service.com
Et materiale avledet fra tobakk er like sterkt som tre eller plast
Tobakksblader Alex Plesovsky | unsplash
Menneskehetens avhengighet av plast er et betydelig problem. Dette materialet er avledet fra petroleum og ender vanligvis livet som søppelfylling og eller i et forbrenningsanlegg. Uansett, det er uholdbart. Så hvorfor ikke utvikle biokompositter som er mer miljøvennlige?
Det er ikke så enkelt som det høres ut. De fleste biologisk nedbrytbare plaster er avhengige av en matrisestruktur avledet fra petroleum. Det er fordi biologiske matriser generelt mangler styrke for de fleste tekniske og strukturelle applikasjoner.
Så er det naturlig tre, som kan bearbeides for å gi det egenskaper som kan konkurrere med stål og keramikk. Men denne behandlingen krever harde kjemiske behandlinger som ikke er miljøvennlige.
Så det er intens interesse for å finne måter å gjøre vanlige planter om til biokompositter som er bærekraftige og kan sammenlignes i mekanisk ytelse med bearbeidet tre og konvensjonell plast.
Skriv inn Eleftheria Roumeli og kolleger ved California Institute of Technology. Dette teamet har funnet en måte å gjøre celler fra tobakksplanter om til et enormt sterkt materiale med trelignende mekaniske egenskaper. Vi har utviklet en ny metode for å lage naturlige biokomposittmaterialer basert på planteceller, sier de. [Materialenes] stivhet og styrke overgår den til kommersiell plast med lignende tetthet, som polystyren og lavdensitetspolyetylen, samtidig som de er fullstendig biologisk nedbrytbare.
Produksjonsmetoden er grei. Teamet starter med celler fra urteplanten Nicotiana tabacum, som de dyrker i flytende suspensjon i laboratoriet. Denne mye dyrkede planten produserer blader som blir bearbeidet til tobakk.
Disse cellene er godt studert og lett tilgjengelig for forskere. Noen cellelinjer, for eksempel BY-2-linjen, kan formere seg 100 ganger i løpet av en uke når de dyrkes i suspensjon. Roumeli og co sier ikke hva slags celle de bruker, selv om BY-2-celler virker et rimelig valg, gitt papirets referanser.
Hver celle har en cellevegg forsterket av mikrofibriller laget av proteiner og cellulose, som effektivt binder veggen sammen. Celleveggen omslutter cellekjernen, ulike typer biomolekylært maskineri for prosessering av energi og så videre, og cytoplasmaet, hvorav mye er vann. (BY-2 cellelinjer fotosyntetiserer ikke og inneholder derfor ikke klorofyll).
Etter å ha dyrket cellene, høster teamet og komprimerer dem i en form. Formen er permeabel for å la vann slippe ut. Ved kompresjon diffunderer vann gjennom plantecelleveggen og cellevolumet reduseres gradvis, sier de.
Faktisk mister cellene 98 % av vekten under denne prosessen. Det meste av dette skyldes vannfordampning, men det er andre prosesser på jobb, for eksempel nedbrytning av komplekse biomolekyler inkludert pektiner, hemicellulose og fenolforbindelser.
Teamet varmer deretter det dehydrerte materialet. Dette fører til at mikrofibrillene gjennomgår faseoverganger og danner krystallinske strukturer. Det oppnådde materialet er en biokompositt, bestående av en heterogen blanding av naturlig syntetiserte biopolymerer, sier Roumeli og co.
Og det er bemerkelsesverdig tøft. Teamet målte dets mekaniske egenskaper og sammenlignet det med bartre som furu; hardtre som poppel, eik og valnøtt; og kommersiell kryssfiner og MDF. De sammenlignet det også med syntetisk plast med lignende tetthet, som polystyren, polypropylen og polyetylen med lav tetthet.
Resultatene viser hvor bra dette materialet er. Den mekaniske ytelsen til biokomposittene våre er sammenlignbare med den til kommersiell konstruert tre og plast, sier Roumeli og co. De overgår alle litteraturrapporterte verdier for materialer som består av planteceller, mycel eller gjærmatriser.
Hvordan biokompositter (BC) former seg mot tre og plast.
Teamet fortsetter å gjøre materialet enda sterkere ved å legge til karbonfiber. Faktisk kan de finjustere egenskapene til biokompositten ytterligere med tilsetningsstoffer som gjør den ledende eller magnetisk.
Et viktig spørsmål for bærekraft er hvordan dette materialet brytes ned ved slutten av levetiden. Frykten er at denne typen prosessering produserer biopolymerer som er så sterke at de ikke lett brytes ned.
For å finne ut av det begravde Roumeli og co prøvene sine i jordbruksjord sammen med litt vanlig ved og så på hva som skjedde. Begge prøvene gikk i utgangspunktet opp i vekt ved å absorbere vann fra jorda. Men så brøt begge sammen naturlig.
Det detekterbare massetapet på grunn av biologisk nedbrytning av biokomposittene begynner 3 uker etter inkubering, mens det for naturlig tre begynner omtrent 7 uker senere, sier teamet. Vi observerer en nesten fullstendig biologisk nedbrytning av biokompositten 14 uker etter første inkubasjon.
Det er interessant arbeid som fortjener ytterligere oppmerksomhet. Biologisk nedbrytbare bærbare datamaskiner, noen?
Ref: arxiv.org/abs/1909.01926 : Plantecellebaserte biologiske matrisekompositter