Учёные скопировали паутину, чтобы превратить кукурузу в прочный и биоразлагаемый пластик
Международная группа исследователей из Нидерландов и Китая разработала технологию производства биопластика на основе кукурузного белка зеин, скопировав молекулярную структуру паучьего шелка. Полученный материал, получивший название «плантимер», по прочности сопоставим с обычным пластиком, но в отличие от него разлагается в почве на 80% за месяц. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Проблема пластиковых отходов - одна из самых острых экологических проблем современности. Большинство пластиков производятся из нефти и газа, не разлагаются в природе столетиями и образуют микропластик, который находят уже в крови человека и грудном молоке.
Альтернатива - биопластики растительного происхождения - существовала давно, но у неё был критический недостаток. Такие материалы получались слишком слабыми, хрупкими и плохо удерживали влагу и кислород. Для пищевой упаковки, производства волокон или прочных изделий они не годились.
«Биополимеры растительного происхождения могут стать устойчивой альтернативой полимерам на основе ископаемого топлива, однако их низкие эксплуатационные характеристики до сих пор ограничивали их внедрение», - констатируют авторы исследования.
Кукурузный белок как сырьё
Учёные обратили внимание на зеин - белок, содержащийся в кукурузе. Он является побочным продуктом переработки кукурузы и производства этанола, то есть не требует выращивания дополнительных культур. Зеин биоразлагаем и возобновляем, но в естественном виде разделяет судьбу других растительных полимеров: он слаб и хрупок.
Технология: как пауки помогли переработать кукурузу
Паучий шелк считается одним из самых прочных материалов на Земле в пересчёте на единицу веса - он прочнее стали. Секрет - в особом процессе, который происходит в железах паука. Там меняется кислотность, регулируется содержание воды, а белковые молекулы выстраиваются в идеально упорядоченную структуру с прочными межмолекулярными связями.
Исследователи скопировали этот процесс. Вместо того чтобы просто плавить или химически обрабатывать кукурузный белок (как обычный пластик), они применили метод, вдохновлённый пауками, и заставили молекулы зеина выстроиться в ряд и сформировать эффективные связи.
Из полученного биополимера команда сформировала волокна, тонкие листы и плёнку. Новый материал назвали «плантимер» (от plant - растение и polymer - полимер).
Характеристики и перспективы
Плантимер демонстрирует три ключевых свойства, которые делают его потенциальной заменой обычному пластику:
· Прочность. Благодаря упорядоченной структуре материал перестал быть хрупким.
· Барьерные свойства. Он эффективно блокирует воду и кислород - критически важно для пищевой упаковки.
· Биоразлагаемость. До 80% материала разлагается при контакте с почвой в течение одного месяца.
«Мы показали, что обработка белковых материалов, созданных по образцу паучьего шелка, может быть применена к широко распространённым растительным белкам, таким как зеин из кукурузы», - заключили исследователи.
Ограничения и вопросы
Технология пока находится на лабораторной стадии. Прежде чем плантимер сможет выйти на рынок и конкурировать с пластиком из нефти и газа, предстоит ответить на несколько вопросов.
Можно ли масштабировать производство за пределами лаборатории до промышленных объёмов? Хватит ли зеина, который сейчас является побочным продуктом, для крупнотоннажного выпуска - или это начнёт конкурировать с продовольственным использованием кукурузы? Как материал ведёт себя при длительном воздействии тепла и ультрафиолета? И наконец, будет ли он дешевле или хотя бы сопоставим по цене с обычным пластиком?
Несмотря на нерешённые вопросы, сам подход - использование распространённого растительного белка и биоинспирированной технологии для создания прочного биоразлагаемого пластика - открывает новое направление в разработке экологичных упаковочных материалов и волокон. Исследование опубликовано в одном из самых авторитетных научных журналов, а значит, в ближайшие годы можно ожидать попыток коммерциализации технологии.
