Selvhelbredende materiale kan bygge sig selv af kulstof i luften

Et materiale designet af MIT kemiingeniører kan reagere med kuldioxid fra luften, at vokse, styrke, og endda reparere sig selv. Polymeren, som en dag kan blive brugt som bygge- eller reparationsmateriale eller til beskyttende belægninger, omdanner løbende drivhusgassen til et kulstofbaseret materiale, der forstærker sig selv.

Den nuværende version af det nye materiale er et syntetisk gel-lignende stof, der udfører en kemisk proces, der ligner den måde, planter inkorporerer kuldioxid fra luften i deres voksende væv. Materialet kan evt. for eksempel, laves til paneler af en letvægtsmatrix, der kan sendes til en byggeplads, hvor de ville hærde og størkne blot fra eksponering for luft og sollys, derved spares på energien og transportomkostningerne.

Fundet er beskrevet i en artikel i tidsskriftet Avancerede materialer , af professor Michael Strano, postdoc Seon-Yeong Kwak, og otte andre ved MIT og ved University of California ved Riverside

"Dette er et helt nyt koncept inden for materialevidenskab, " siger Strano, Carbon C. Dubbs professor i kemiteknik. "Det, vi kalder kulstoffikserende materialer, eksisterer ikke endnu i dag" uden for det biologiske område, han siger, beskriver materialer, der kan omdanne kuldioxid i den omgivende luft til et fast stof, stabil form, ved kun at bruge solens kraft, ligesom planter gør.

Udvikling af et syntetisk materiale, der ikke kun undgår brugen af ​​fossile brændstoffer til dets skabelse, men faktisk forbruger kuldioxid fra luften, har åbenlyse fordele for miljøet og klimaet, påpeger forskerne. "Forestil dig et syntetisk materiale, der kunne vokse som træer, tage kulstoffet fra kuldioxiden og inkorporere det i materialets rygrad, " siger Strano.

Materialet, som holdet brugte i disse indledende proof-of-concept-eksperimenter, gjorde brug af en biologisk komponent - kloroplaster, de lys-udnyttende komponenter i planteceller, som forskerne fik fra spinatblade. Kloroplasterne er ikke levende, men katalyserer reaktionen mellem kuldioxid og glukose. Isolerede kloroplaster er ret ustabile, hvilket betyder, at de har tendens til at stoppe med at fungere efter et par timer, når de fjernes fra planten. I deres papir, Strano og hans medarbejdere demonstrerer metoder til markant at øge den katalytiske levetid for ekstraherede kloroplaster. I det igangværende og fremtidige arbejde, chloroplasten bliver erstattet af katalysatorer, der er af ikke-biologisk oprindelse, Strano forklarer.

Det materiale forskerne brugte, en gelmatrix sammensat af en polymer fremstillet af aminopropylmethacrylamid (APMA) og glucose, et enzym kaldet glucoseoxidase, og kloroplasterne, bliver stærkere, når det inkorporerer kulstoffet. Det er endnu ikke stærkt nok til at blive brugt som byggemateriale, selvom det kan fungere som et revnefyldnings- eller belægningsmateriale, siger forskerne.

Holdet har udarbejdet metoder til at producere materialer af denne type i ton, og har nu fokus på at optimere materialets egenskaber. Kommercielle applikationer såsom selvhelbredende belægninger og revnefyldning er realiserbare på kort sigt, de siger, der henviser til, at der er behov for yderligere fremskridt inden for rygradskemi og materialevidenskab, før byggematerialer og kompositter kan udvikles.

En vigtig fordel ved sådanne materialer er, at de ville være selvreparerende ved udsættelse for sollys eller indendørs belysning, siger Strano. Hvis overfladen er ridset eller revnet, det berørte område vokser til at udfylde hullerne og reparere skaden, uden at kræve nogen ekstern handling.

Mens der har været en udbredt indsats for at udvikle selvhelbredende materialer, der kunne efterligne denne evne hos biologiske organismer, siger forskerne, disse har alle krævet et aktivt eksternt input for at fungere. Opvarmning, UV lys, mekanisk belastning, eller kemisk behandling var nødvendig for at aktivere processen. Derimod disse materialer behøver intet andet end omgivende lys, og de inkorporerer masse fra kulstof i atmosfæren, som er allestedsnærværende.

Materialet starter som en væske, Kwak siger, tilføjer, "det er spændende at se det, når det begynder at vokse og samle sig" til en solid form.

"Materialvidenskab har aldrig produceret noget lignende, " siger Strano. "Disse materialer efterligner nogle aspekter af noget levende, selvom det ikke reproducerer." Fordi fundet åbner op for en bred vifte af mulig opfølgende forskning, det amerikanske energiministerium sponsorerer et nyt program instrueret af Strano for at udvikle det yderligere.

"Vores arbejde viser, at kuldioxid ikke kun behøver at være en byrde og en omkostning, " siger Strano. "Det er også en mulighed i denne henseende. Der er kulstof overalt. Vi bygger verden med kulstof. Mennesker er lavet af kulstof. At lave et materiale, der kan få adgang til det rigelige kulstof overalt omkring os, er en væsentlig mulighed for materialevidenskab. På denne måde vores arbejde handler om at lave materialer, der ikke kun er kulstofneutrale, men kulstofnegativ."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.