Kemiker låser op for plastikalternativer ved hjælp af proteiner og tøjrester

Hvert år genereres 400 millioner tons plastikaffald på verdensplan. Mellem 19 og 23 millioner tons af det plastikaffald går ind i akvatiske økosystemer, og det resterende går i jorden. Yderligere 92 millioner tons tøjaffald genereres årligt.

Challa Kumar, professor emeritus i kemi, "træt" af den enorme mængde giftigt affald, folk konstant pumper ud i miljøet, følte sig tvunget til at gøre noget. Som kemiker betød det at gøre noget ved at bruge sin ekspertise til at udvikle nye, bæredygtige materialer.

"Alle bør tænke på at erstatte fossilt brændstof-baserede materialer med naturlige materialer hvor som helst de kan for at hjælpe vores civilisation med at overleve," siger Kumar. "Huset brænder, vi kan ikke vente. Hvis huset brænder, og du begynder at grave en brønd - det kommer ikke til at virke. Det er tid til at begynde at hælde vand på huset."

Kumar har udviklet to teknologier, der bruger henholdsvis proteiner og klud til at skabe nye materialer. UConns Technology Commercialization Services (TCS) har indgivet foreløbige patenter for begge teknologier.

Inspireret af naturens evne til at konstruere en bred vifte af funktionelle materialer, udviklede Kumar og hans team en metode til at producere kontinuerligt indstillelige ikke-giftige materialer.

"Kemi er det eneste, der står i vejen for os," siger Kumar. "Hvis vi forstår proteinkemi, kan vi lave proteinmaterialer så stærke som en diamant eller så bløde som en fjer."

Den første innovation er en proces til at omdanne naturligt forekommende proteiner til plastiklignende materialer. Kumars studerende, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., arbejdede på dette projekt.

Proteiner har "reaktorgrupper" på deres overflader, som kan reagere med stoffer, som de kommer i kontakt med. Ved at bruge sin viden om, hvordan disse grupper fungerer, brugte Kumar og hans team en kemisk forbindelse til at binde proteinmolekyler sammen.

Denne proces skaber en dimer - et molekyle sammensat af to proteiner. Derfra forbindes dimeren med en anden dimer for at skabe tetramer, og så videre, indtil den bliver til et stort 3D-molekyle. Dette 3D-aspekt af teknologien er unikt, da de fleste syntetiske polymerer er lineære kæder.

Denne nye 3D-struktur gør det muligt for den nye polymer at opføre sig som en plastik. Ligesom de proteiner, det er lavet af, kan materialet strækkes, ændre form og foldes. Således kan materialet skræddersyes via kemi til en række specifikke anvendelser.

I modsætning til syntetiske polymerer, fordi Kumars materiale er lavet af proteiner og et biolinkende kemikalie, kan det bionedbrydes, ligesom plante- og animalske proteiner gør naturligt.

"Naturen nedbryder proteiner ved at rive de amidbindinger, der er i dem fra hinanden," siger Kumar. "Den har enzymer til at håndtere den slags kemi. Vi har de samme amidbindinger i vores materialer. Så de samme enzymer, der arbejder i biologien, bør også arbejde på dette materiale og bionedbryde det naturligt."

I laboratoriet fandt holdet ud af, at materialet nedbrydes inden for få dage i sur opløsning. Nu er de ved at undersøge, hvad der sker, hvis de begraver dette materiale i jorden, hvilket er skæbnen for mange post-consumer plastik.

De har vist, at det proteinbaserede materiale kan danne en række plastiklignende produkter, herunder låg til kaffekopper og tynde gennemsigtige film. Det kan også bruges til at lave brandsikre tagsten eller avancerede materialer som bildøre, raketkeglespidser eller hjerteventiler.

De næste trin for denne teknologi er at fortsætte med at teste deres mekaniske egenskaber, såsom styrke eller fleksibilitet, samt toksicitet.

"Jeg tror, ​​vi skal have social bevidsthed om, at vi ikke kan udsætte materialer i miljøet, der er giftige," siger Kumar. "Det kan vi bare ikke. Vi er nødt til at stoppe med at gøre det. Og vi kan heller ikke bruge materialer afledt af fossile brændstoffer."

Kumars anden teknologi bruger et lignende princip, men i stedet for blot proteiner, bruger den proteiner forstærket med naturlige fibre, specielt bomuld.

"Vi skaber en masse tekstilaffald hvert år på grund af den hurtigt skiftende modeindustri," siger Kumar. "Så hvorfor ikke bruge det affald til at skabe nyttige materialer – konverter affald til rigdom."

Ligesom de plastiklignende proteinmaterialer (kaldet "Proteios", afledt af originale græske ord), forventer Kumar, at kompositmaterialer fremstillet af proteiner og naturlige fibre vil nedbrydes biologisk uden at producere giftigt affald.

I laboratoriet skabte Kumars tidligere studerende, ph.d.-kandidat Adekeye Damilola, mange genstande med proteinstof-kompositter, som omfatter små sko, skriveborde, blomster og stole. Dette materiale indeholder tekstilfibre, der tjener som bindemiddel med proteinerne, snarere end det tværbindende kemikalie Kumar bruger til proteinbaseret plast.

Tværbindingen giver det nye materiale styrken til at modstå den vægt, der ville blive lagt på noget som en stol eller et bord. Den naturlige affinitet mellem fibre og proteiner er grunden til, at det er så svært at få madpletter ud af tøjet. Den samme attraktion danner stærke proteinstofmaterialer.

Mens Kumars team hidtil kun har arbejdet med bomuld, forventer de, at andre fibermaterialer, såsom hampfibre eller jute, ville opføre sig på samme måde på grund af deres iboende, men almindelige kemiske egenskaber med bomuld.

"Proteinet klæber naturligt til overfladen af ​​proteinet," siger Kumar. "Vi brugte den forståelse til at sige "Hey, hvis det binder så tæt til bomuld, hvorfor laver vi så ikke et materiale ud af det." Og det virker, det virker fantastisk."

Leveret af University of Connecticut