Een materiaal dat is ontworpen door chemische ingenieurs van MIT, kan reageren met koolstofdioxide uit de lucht, groeien, versterken, en zelfs zichzelf repareren. het polymeer, die ooit zouden kunnen worden gebruikt als constructie- of reparatiemateriaal of voor beschermende coatings, zet het broeikasgas continu om in een op koolstof gebaseerd materiaal dat zichzelf versterkt.

De huidige versie van het nieuwe materiaal is een synthetische gelachtige substantie die een chemisch proces uitvoert dat vergelijkbaar is met de manier waarop planten koolstofdioxide uit de lucht opnemen in hun groeiende weefsels. Het materiaal zou, bijvoorbeeld, worden gemaakt in panelen van een lichtgewicht matrix die naar een bouwplaats kunnen worden verscheept, waar ze zouden verharden en stollen door blootstelling aan lucht en zonlicht, daardoor besparen op de energie en kosten van transport.

De bevinding wordt beschreven in een artikel in het tijdschrift Geavanceerde materialen , door professor Michael Strano, postdoc Seon-Yeong Kwak, en acht anderen aan het MIT en aan de Universiteit van Californië in Riverside

"Dit is een volledig nieuw concept in de materiaalkunde, " zegt Strano, de Carbon C. Dubbs hoogleraar chemische technologie. "Wat wij koolstofbindende materialen noemen, bestaat vandaag nog niet" buiten het biologische domein, hij zegt, materialen beschrijven die koolstofdioxide in de omgevingslucht kunnen omzetten in een vaste stof, stabiele vorm, alleen gebruik makend van de kracht van zonlicht, net zoals planten dat doen.

Het ontwikkelen van een synthetisch materiaal dat niet alleen het gebruik van fossiele brandstoffen vermijdt voor de creatie ervan, maar verbruikt in feite koolstofdioxide uit de lucht, heeft duidelijke voordelen voor het milieu en het klimaat, wijzen de onderzoekers erop. "Stel je een synthetisch materiaal voor dat kan groeien als bomen, de koolstof uit de koolstofdioxide halen en opnemen in de ruggengraat van het materiaal, ' zegt Strano.

Het materiaal dat het team in deze eerste proof-of-concept-experimenten gebruikte, maakte gebruik van één biologische component:chloroplasten, de licht-gebruikende componenten in plantencellen, die de onderzoekers verkregen uit spinaziebladeren. De chloroplasten leven niet, maar katalyseren de reactie van kooldioxide tot glucose. Geïsoleerde chloroplasten zijn vrij onstabiel, wat betekent dat ze de neiging hebben om na een paar uur te stoppen met functioneren wanneer ze uit de plant worden verwijderd. In hun krant Strano en zijn medewerkers demonstreren methoden om de katalytische levensduur van geëxtraheerde chloroplasten aanzienlijk te verlengen. In lopende en toekomstige werkzaamheden, de chloroplast wordt vervangen door katalysatoren die van niet-biologische oorsprong zijn, Strano legt uit.

Het materiaal dat de onderzoekers gebruikten, een gelmatrix samengesteld uit een polymeer gemaakt van aminopropylmethacrylamide (APMA) en glucose, een enzym genaamd glucose-oxidase, en de chloroplasten, wordt sterker naarmate het de koolstof opneemt. Het is nog niet sterk genoeg om als bouwmateriaal te gebruiken, hoewel het zou kunnen functioneren als een scheurvul- of coatingmateriaal, zeggen de onderzoekers.

Het team heeft methoden uitgewerkt om dit soort materialen per ton, en richt zich nu op het optimaliseren van de materiaaleigenschappen. Commerciële toepassingen zoals zelfherstellende coatings en het vullen van scheuren zijn op korte termijn realiseerbaar, ze zeggen, overwegende dat aanvullende vooruitgang in de chemie en materiaalwetenschap nodig is voordat bouwmaterialen en composieten kunnen worden ontwikkeld.

Een belangrijk voordeel van dergelijke materialen is dat ze zichzelf herstellen bij blootstelling aan zonlicht of binnenverlichting. zegt Strano. Als het oppervlak bekrast of gebarsten is, het getroffen gebied groeit om de gaten op te vullen en de schade te herstellen, zonder enige actie van buitenaf.

Hoewel er wijdverbreide inspanningen zijn geleverd om zelfherstellende materialen te ontwikkelen die dit vermogen van biologische organismen kunnen nabootsen, zeggen de onderzoekers, deze hebben allemaal een actieve externe input nodig om te kunnen functioneren. Verwarming, UV licht, mechanische spanning, of chemische behandeling nodig waren om het proces te activeren. Daarentegen, deze materialen hebben niets anders nodig dan omgevingslicht, en ze nemen massa van koolstof op in de atmosfeer, die alomtegenwoordig is.

Het materiaal begint als een vloeistof, Kwak zegt, toevoegen, "het is opwindend om het te zien als het begint te groeien en te clusteren" tot een vaste vorm.

"De materiaalwetenschap heeft nog nooit zoiets geproduceerd, " zegt Strano. "Deze materialen bootsen sommige aspecten van iets levends na, ook al reproduceert het zich niet." Omdat de bevinding een breed scala aan mogelijk vervolgonderzoek opent, het Amerikaanse ministerie van Energie sponsort een nieuw programma onder leiding van Strano om het verder te ontwikkelen.

"Ons werk laat zien dat kooldioxide niet louter een last en een kostenpost hoeft te zijn, Strano zegt. "Het is ook een kans in dit opzicht. Overal zit koolstof. We bouwen de wereld met koolstof. Mensen zijn gemaakt van koolstof. Het maken van een materiaal dat toegang heeft tot de overvloedige koolstof overal om ons heen, is een belangrijke kans voor de materiaalwetenschap. Op deze manier, ons werk gaat over het maken van materialen die niet alleen CO2-neutraal zijn, maar koolstofnegatief."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.