Nyt selvhelende, kulstof-negativt materiale kunne hjælpe med at bekæmpe klimaændringer

Biologi kan ofte være den ultimative design inspiration. Senest har ingeniører ved MIT været i stand til at tage et blad ud af naturens playbook for at designe et materiale, der er selvhelbredende og carbon-negativ. Det er et velkomment nyt værktøj til bekæmpelse af klimaforandringer, og kan på en dag erstatte emissionstunge materialer som beton med et langt mere vedligeholdende, miljøvenligt alternativ.

I det nye studie udgivet i Avancerede materialer, kemiske ingeniører demonstrerede, hvordan man designer et materiale, der er i stand til at tegne kulstofopvarmning af kuldioxid fra luften og derefter bruge den til at vokse og reparere sig selv. Undersøgelsen, ledet af professor Michael Strano ved MIT, bryder barrierer inden for materialevidenskab, med en billig, nem at producere, selvreparerende polymer, der kræver minimal materiale.

"Vores materiale har kun andet end atmosfærisk kuldioxid og omgivende lys, som er allestedsnærværende", forklarer medforfatter Seonyeong Kwak at Inverse i en email.

Selvhelende egenskaber synes ofte at være dramatiske mirakler, der er reserveret til dyrenes verden, for eksempel kekoser, der vokser tilbage haler og søstjerner vokser tilbage hele lemmerne (eller stadig mere, lemmer, der vokser tilbage en hel krop). Menneskeheden har dabbled i regenerering, der forvalter at designe bløde robotter, som kan reparere sig selv og en selvhelende telefoncoating for at afslutte mareridt af knuste skærme. Men tidligere metoder kræver ofte ekstern input, såsom UV-lys, opvarmning eller kemisk behandling. Denne nye polymer er langt lavere vedligeholdelse og har en let tilgængelig, rigelig energikilde: kuldioxid.

Carbon-Eating Chloroplasts er nøglen

"Forestil dig et syntetisk materiale, der kan vokse som træer, tage kulstof fra kuldioxid og inkorporerer det i materialets rygrad," forklarer Strano i en pressemeddelelse.

Ved at udnytte chloroplaster, er komponentet af planter, der høster og omdanner lys til energi, gjort det muligt for Strano's team.

Suspended i hydrogelen er en polymer kaldet aminopropylmethacrylamid (APMA), stabiliserede chloroplaster fjernet fra spinat og et enzym kaldet glucoseoxidase (GOx). Når de udsættes for sollys, producerer chloroplasterne glucose. Derefter sparkes enzymet GOx i, der gør glukosen til gluconolacton (GL), som reagerer med APMA for at komme i fuld cirkel, hvilket skaber det meget materiale, der udgør selve hydrogelen, glucoseholdig polymethacrylamid (GPMAA). Forskere kan bogstaveligt talt se materialet vokse til et faststof fra flydende form.

Mens de er nøglen til polymeren og attraktiv på grund af deres overflod, har chloroplasterne også udfordrende designproblemer. Som biologiske komponenter er chloroplaster ikke motiverede til at fungere, når de adskilles fra deres plantehjem - når de først fjernes, varer deres fotosyntese evner kun få timer til en dag, maksimum. For tiden har kemisk behandling af kloroplaster øget stabiliteten og glucoseproduktionen, men forskere håber at skifte til et ikke-biologisk alternativ.

Selvhelbredende for bæredygtighed

Med voksende haster med at udvikle mere bæredygtige levemetoder holder polymeren et løfte om at hjælpe med at nulstille tænket på at opretholde det bebyggede miljø omkring os.

"Vores arbejde viser, at kuldioxid ikke behøver at være rent byrde og omkostninger," siger Strano. "Det er også en mulighed i denne henseende. Der er kulstof overalt. Vi bygger verden med kulstof. Mennesker er lavet af kulstof. At lave et materiale, der kan få adgang til det rigelige kulstof rundt om os, er en betydelig mulighed for materialevidenskab. På denne måde handler vores arbejde om at lave materialer, der ikke kun er carbonneutrale, men kulstof negative."

Materialet er ikke stærkt nok til storskala konstruktion, men kortfristede applikationer som fyldning af revner eller selvhelbredende belægninger kan realiseres i så få som 1-2 år.

"Materialevidenskab har aldrig produceret noget som dette," fortæller Strano MIT News. "Disse materialer efterligner nogle aspekter af noget levende, selv om det ikke reproducerer."