«Веганский паучий шелк» как экологичная альтернатива одноразовому пластику
Исследователи из Кембриджского университета создали полимерную пленку, имитирующую свойства паучьего шелка, одного из самых прочных материалов в природе.Новый материал столь же прочен, как и многие обычные пластмассы, используемые сегодня, и может заменить пластик во многих обычных бытовых товарах.
Материал был создан с использованием нового подхода к сборкерастительных белковв материал, имитирующий шелк на молекулярном уровне.
Для эксперимента были использованы экологически чистые компоненты, в результате которого получена нерастворимая в воде пленка, напоминающая пластик, которую можно производить в промышленных масштабах. К полимеру можно добавить не выцветающий «структурный» цвет, а также его можно использовать для создания водостойких покрытий.
Этот материал можно компостировать в домашних условиях, в то время как для разложения других типов биопластиков требуется специальное промышленное оборудование для компостирования.
Кроме того, материал, разработанный в Кембридже, не требует химических модификаций своих естественных строительных блоков, поэтому он может безопасно разлагаться в большинстве природных сред.
Новый продукт синтезирован фирмой Xampla, дочерней компанией Кембриджского университета, которая занимается разработкой заменителей одноразового пластика и микропластика.В этом году компания представит ряд одноразовых саше и капсул, которые могут заменить пластик, используемый в повседневных товарах, таких как таблетки для посудомоечной машины и капсулы для стирального порошка.Результаты опубликованы в журналеNature Communications.
Ключевой особенностью паучьего шелка, придающему ему уникальную прочность, является упорядоченное и очень плотное расположение водородных связей.
Белки в природе имеют свойство молекулярной самоорганизации и самосборки. Используя это свойство, исследователи попытались использовать это качество белков растительного происхождения, полученных из отходов пищевой промышленности.
Исследователям удалось воспроизвести самосборку белков по типу паучьего шелка из весьма распространенного растительного белка — изолята соевого белка. Этот белок имеет другой состав, но полипептидные связи, которые роднят все белки, при определенных условиях позволили молекулам соевого изолята самоорганизоваться в подобную структуру, как и в шелке паука.
Протеин паучьего шелка растворяется в воде и затем собирается в процессе прядения в прочное волокно, требуя при этом минимальных энергозатрат.Растительные белки, такие как изолят соевого белка ( SPI), плохо растворимы в воде, что затрудняет контроль их самосборки в упорядоченные структуры.
В новом исследовании использовали экологически чистую смесь уксусной кислоты и воды, а дляулучшения растворимости SPI смесь обработали ультразвуком и высокими температурами. Этот метод позволил создать белковые структуры с усиленными межмолекулярными взаимодействиями и образованием водородных связей.На втором этапе растворитель удаляется, в результате чего образуется нерастворимая в воде пленка.
Материал имеет характеристики, эквивалентные высокотехнологичным пластмассам, таким как полиэтилен низкой плотности.Егопрочностьполучилась за счет образованиярегулярно расположенныхполипептидныхцепей, чтоизбавило исследователей от необходимости в химическом сшивании, которое часто используется для улучшения характеристик и придания устойчивости биополимерным пленкам.Наиболее часто используемые сшивающие агенты неустойчивы и даже могут быть токсичными. В данной технологии, разработанной в Кембридже. токсичные элементы не используются.
Любая замена пластику требует другого полимера — два из них, которые существуют в изобилии, — это полисахариды и полипептиды.Целлюлоза и наноцеллюлоза представляют собой полисахариды и используются в различных областях, но часто требуют некоторой формы сшивки для образования прочных материалов.Белки самоорганизуются и могут образовывать прочные материалы, такие как шелк, без каких-либо химических модификаций, но пока с ними намного сложнее работать.