Forskere omdanner ultrahård pollen til fleksibelt materiale

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har fundet en måde at vende pollen på, et af de hårdeste materialer i planteriget, til et blødt og fleksibelt materiale, med potentiale til at fungere som 'byggesten' til design af nye kategorier af miljøvenlige materialer.

Fundene, udgivet i Naturkommunikation i dag, vise, hvordan de brugte en simpel kemisk proces, der ligner konventionel sæbefremstilling, til at omdanne pollenkorn fra solsikker og andre typer planter til bløde mikrogelpartikler, der reagerer på forskellige stimuli.

De foreslår, at kombineret med fremskridt inden for 3-D og 4-D print, de resulterende pollenbaserede partikler kan en dag blive omdannet til en række forskellige former, herunder polymergeler, ark 'papir' og svampe.

De tilsvarende forfattere af denne artikel er adjunkt Song Juha fra School of Chemical and Biomedical Engineering, og professor Cho Nam-Joon og professor Subra Suresh fra School of Materials Science and Engineering ved NTU Singapore.

NTU Distinguished University Professor Subra Suresh, som også er NTU-præsident, sagde:"Vores NTU forskerhold har transformeret hårde pollenkorn ud over deres naturlige præstationsgrænser, og omdannet dem til bløde mikrogelpartikler, der ændrer deres egenskaber som reaktion på eksterne stimuli. Dette lover en bred vifte af applikationer, der er miljømæssigt bæredygtige, økonomisk overkommelig, og praktisk skalerbar."

Resultaterne til dato tyder også på, at de pollenbaserede mikrogelpartiklers biokompatibilitet - hvilket betyder, at det ikke forårsager en immunologisk, allergisk eller toksisk reaktion, når den udsættes for kropsvæv - gør den også potentielt egnet til applikationer såsom sårforbinding, proteser, og implanterbar elektronik.

Professor Cho Nam-Joon, som besidder Materials Research Society of Singapore-stolen i Materials Science and Engineering, sagde:"Både vores eksperimentelle og beregningsmæssige resultater giver indsigt i pollens grundlæggende biologiske mekanismer, og demonstrere, hvordan ændring af pollenvægstrukturen kan få pollenpartiklerne til at svulme op - meget ligesom de formtransformationer, der sker under biologiske processer, såsom harmomegathy (foldning af pollenkornet for at forhindre vandtab) og spiring. Resultaterne viser også, at vi kan gå ud over præstationsgrænserne for, hvad naturen kan udrette af sig selv."

Pollen, beskrevet af videnskabsmænd som planteverdenens diamant for dens uforgængelige træk, indkapsler og transporterer en plantes mandlige genetiske materiale inden for en vægstruktur, der består af to mekanisk adskilte lag - et sejt ydre lag (exine), og et blødt og elastisk inderlag af cellulose (intine).

Når den frigives fra en blomsts mandlige reproduktive del, pollenkorn bliver dehydreret, og enkelte korn folder sig ind på sig selv. Omvendt når disse korn ankommer til plantens kvindelige reproduktive struktur, de bliver hydreret og spirer, med et pollenrør, der vokser ud af kornet og mod hundelen.

Pollenrørets vækstproces styres af enzymer i pollenvæggen, som ændrer væggens elasticitet og fører til strukturelle ændringer. Disse processer, fører til strukturelle ændringer i pollenvæggen, inspirerede NTU-holdet til at forsøge at ombygge pollens hele vægstruktur og ændre dens materialeegenskaber, ved at bruge en proces svarende til konventionel sæbefremstilling.

Pollenkorn fra solsikkeplanten, med deres klæbrige oliebaserede "pollencement"-lag fjernet, blev inkuberet under alkaliske betingelser i op til 12 timer. Dette blødgjorde de to dele af pollenvæggen, og pollenkornspartiklerne svulmede og blev mere gelagtige. Jo længere kornene blev inkuberet, jo mere gelagtigt blev det resulterende materiale.

I computersimuleringer, holdet fandt også, at de elastiske egenskaber af de ydre og indre væglag skal falde inden for et præcist område for at det pollenafledte materiale kan udvise denne gel-lignende adfærd, tyder på, at for en individuel pollenpartikel, der er en kemisk og fysisk vej, der afgør, om hydrering fører til dens succesfulde spiring.

NTU-assistentprofessor Song Juha sagde:"Vores undersøgelse inspirerer til fremtidig undersøgelse af at forstå, hvordan materialevidenskaben om pollen kan påvirke planters reproduktive succes."