Een materiaal dat is afgeleid van tabak is zo sterk als hout of plastic

Tabaksbladeren Alex Plesovsky | unsplash

De afhankelijkheid van de mensheid van plastic is een groot probleem. Dit materiaal is afgeleid van aardolie en beëindigt over het algemeen zijn leven als stortplaats en of in een verbrandingsoven. Dat is hoe dan ook onhoudbaar. Dus waarom geen biocomposieten ontwikkelen die milieuvriendelijker zijn?

Dat is niet zo eenvoudig als het klinkt. De meeste biologisch afbreekbare kunststoffen zijn afhankelijk van een matrixstructuur die is afgeleid van aardolie. Dat komt omdat biologische matrices over het algemeen niet de sterkte hebben voor de meeste technische en structurele toepassingen.

Dan is er natuurlijk hout, dat kan worden verwerkt om het eigenschappen te geven die wedijveren met staal en keramiek. Maar deze verwerking vereist agressieve chemische behandelingen die niet milieuvriendelijk zijn.

Er is dus grote belangstelling voor het vinden van manieren om gewone planten om te zetten in biocomposieten die duurzaam zijn en qua mechanische prestaties vergelijkbaar zijn met verwerkt hout en conventionele kunststoffen.

Voer Eleftheria Roumeli en collega's van het California Institute of Technology in. Dit team heeft een manier gevonden om cellen van tabaksplanten om te zetten in een enorm sterk materiaal met houtachtige mechanische eigenschappen. We hebben een nieuwe methode ontwikkeld om natuurlijke biocomposietmaterialen te maken op basis van plantencellen, zeggen ze. De stijfheid en sterkte van [de materialen] overtreffen die van commerciële kunststoffen met een vergelijkbare dichtheid, zoals polystyreen en polyethyleen met lage dichtheid, terwijl ze volledig biologisch afbreekbaar zijn.

De productiemethode is eenvoudig. Het team start met cellen van de kruidachtige plant Nicotiana tabacum, die ze in het laboratorium in vloeibare suspensie kweken. Deze veel gekweekte plant produceert bladeren die worden verwerkt tot tabak.

Deze cellen zijn goed bestudeerd en gemakkelijk beschikbaar voor onderzoekers. Sommige cellijnen, zoals de BY-2-lijn, kunnen zich binnen een week 100-voudig vermenigvuldigen wanneer ze in suspensie worden gekweekt. Roumeli en co zeggen niet wat voor soort cel ze gebruiken, hoewel BY-2-cellen een redelijke keuze lijken, gezien de referenties in het artikel.

Elke cel heeft een celwand versterkt door microfibrillen gemaakt van eiwitten en cellulose, die de wand effectief aan elkaar knopen. De celwand omsluit de celkern, verschillende soorten biomoleculaire machines voor het verwerken van energie enzovoort, en het cytoplasma, waarvan een groot deel water is. (BY-2 cellijnen fotosynthetiseren niet en bevatten dus geen chlorofyl).

Nadat de cellen zijn gekweekt, oogst het team ze en comprimeert ze in een mal. De mal is doorlatend om water te laten ontsnappen. Tijdens compressie diffundeert water door de plantencelwand en wordt het celvolume geleidelijk verminderd, zeggen ze.

Tijdens dit proces verliezen de cellen inderdaad 98% van hun gewicht. Het grootste deel hiervan is te wijten aan verdamping van water, maar er zijn andere processen aan het werk, zoals de afbraak van complexe biomoleculen, waaronder pectines, hemicellulose en fenolische verbindingen.

Het team verwarmt vervolgens het gedehydrateerde materiaal. Dit zorgt ervoor dat de microfibrillen een faseovergang ondergaan en kristallijne structuren vormen. Het verkregen materiaal is een biocomposiet, bestaande uit een heterogeen mengsel van natuurlijk gesynthetiseerde biopolymeren, zeggen Roumeli en co.

En het is opmerkelijk zwaar. Het team heeft de mechanische eigenschappen gemeten en vergeleken met zachthout zoals grenen; hardhout zoals populier, eiken en walnoot; en commercieel triplex en MDF. Ze vergeleken het ook met synthetische kunststoffen met een vergelijkbare dichtheid, zoals polystyreen, polypropyleen en polyethyleen met lage dichtheid.

De resultaten laten zien hoe goed dit materiaal is. De mechanische prestaties van onze biocomposieten zijn vergelijkbaar met die van commercieel vervaardigd hout en kunststoffen, zeggen Roumeli en co. Ze overtreffen alle in de literatuur gerapporteerde waarden voor materialen die zijn samengesteld uit plantencellen, mycelium of gistmatrices.

Hoe biocomposieten (BC) zich vormen tegen hout en plastic.

Het team gaat verder om het materiaal nog sterker te maken door koolstofvezel toe te voegen. Ze kunnen inderdaad de eigenschappen van het biocomposiet verder verfijnen met additieven die het geleidend of magnetisch maken.

Een belangrijke vraag voor duurzaamheid is hoe dit materiaal aan het einde van zijn levensduur degradeert. De angst is dat bij dit soort verwerking biopolymeren ontstaan ​​die zo sterk zijn dat ze niet gemakkelijk afbreken.

Om daar achter te komen, begroeven Roumeli en co hun monsters in landbouwgrond samen met wat gewoon hout en keken wat er gebeurde. Beide monsters werden aanvankelijk zwaarder door water uit de bodem op te nemen. Maar toen gingen beide op natuurlijke wijze kapot.

Het detecteerbare massaverlies als gevolg van biologische afbraak van de biocomposieten begint 3 weken na incubatie, terwijl het voor natuurlijk hout ongeveer 7 weken later begint, zegt het team. We observeren een bijna volledige biologische afbraak van het biocomposiet 14 weken na de eerste incubatie.

Dat is interessant werk dat nadere aandacht verdient. Biologisch afbreekbare laptops, iemand?

Referentie: arxiv.org/abs/1909.01926 : Op plantencellen gebaseerde biologische matrixcomposieten

zich verstoppen