Wetenschappers aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hebben een manier gevonden om stuifmeel om te zetten, een van de hardste materialen in het plantenrijk, tot een zacht en flexibel materiaal, met het potentieel om als 'bouwstenen' te dienen voor het ontwerp van nieuwe categorieën milieuvriendelijke materialen.

De bevindingen, gepubliceerd in Natuurcommunicatie vandaag, laten zien hoe ze een eenvoudig chemisch proces gebruikten dat lijkt op het maken van conventionele zeep om stuifmeelkorrels van zonnebloemen en andere soorten planten om te zetten in zachte microgeldeeltjes die reageren op verschillende stimuli.

Ze suggereren dat, in combinatie met de vooruitgang in 3D- en 4D-printen, de resulterende op pollen gebaseerde deeltjes kunnen op een dag worden omgezet in een reeks verschillende vormen, waaronder polymeergels, vellen 'papier' en sponzen.

De corresponderende auteurs van dit artikel zijn assistent-professor Song Juha van de School of Chemical and Biomedical Engineering, en professor Cho Nam-Joon en professor Subra Suresh van de School of Materials Science and Engineering aan NTU Singapore.

NTU Distinguished University Professor Subra Suresh, die ook de NTU-voorzitter is, zei:"Ons NTU-onderzoeksteam heeft harde stuifmeelkorrels getransformeerd tot buiten hun natuurlijke prestatielimieten, en zet ze om in zachte microgeldeeltjes die hun eigenschappen veranderen als reactie op externe prikkels. Dit belooft veel voor een breed scala aan toepassingen die ecologisch duurzaam zijn, economisch betaalbaar, en praktisch schaalbaar."

De resultaten tot nu toe suggereren ook dat de op pollen gebaseerde microgeldeeltjes biocompatibiliteit - wat betekent dat het geen immunologische, allergische of toxische reactie bij blootstelling aan lichaamsweefsels - maakt het ook mogelijk geschikt voor toepassingen zoals wondverband, protheses, en implanteerbare elektronica.

Professor Cho Nam-Joon, die de Materials Research Society of Singapore-leerstoel in Materials Science and Engineering bekleedt, zei:"Zowel onze experimentele als computationele resultaten geven inzicht in de biologische basismechanismen van het stuifmeel, en demonstreren hoe het veranderen van de stuifmeelwandstructuur ervoor kan zorgen dat de stuifmeeldeeltjes opzwellen - net zoals de vormtransformaties die optreden tijdens biologische processen zoals harmomegathy (het vouwen van de stuifmeelkorrel om waterverlies te voorkomen) en ontkieming. De resultaten laten ook zien dat we verder kunnen gaan dan de prestatielimieten van wat de natuur alleen kan bereiken."

Stuifmeel, door wetenschappers beschreven als de diamant van de plantenwereld vanwege zijn onverwoestbare eigenschappen, kapselt en transporteert het mannelijke genetische materiaal van een plant binnen een wandstructuur die bestaat uit twee mechanisch verschillende lagen:een taaie buitenlaag (exine), en een zachte en elastische cellulose binnenlaag (intine).

Wanneer het wordt losgelaten uit het mannelijke reproductieve deel van een bloem, stuifmeelkorrels worden uitgedroogd en individuele korrels vouwen op zichzelf. Omgekeerd, wanneer deze korrels op de vrouwelijke voortplantingsstructuur van de plant terechtkomen, ze worden gehydrateerd en ontkiemen, met een stuifmeelbuis die uit de korrel naar het vrouwelijke deel toe groeit.

Het groeiproces van de pollenbuis wordt gecontroleerd door enzymen in de structuur van de pollenwand die de elasticiteit van de wand veranderen en tot structurele veranderingen leiden. Deze processen, wat leidt tot structurele veranderingen in de pollenwand, inspireerde het NTU-team om te proberen de volledige wandstructuur van het stuifmeel te hermodelleren en de materiaaleigenschappen te veranderen, met behulp van een proces dat vergelijkbaar is met het maken van conventionele zeep.

Stuifmeelkorrels van de zonnebloemplant, met hun kleverige, op olie gebaseerde 'pollencement'-laag verwijderd, werden tot 12 uur onder alkalische omstandigheden geïncubeerd. Dit verzachtte de twee delen van de stuifmeelwand, en de stuifmeelkorreldeeltjes zwollen op en werden meer gelachtig. Hoe langer de korrels werden geïncubeerd, hoe gelachtiger het resulterende materiaal werd.

Bij computersimulaties het team ontdekte ook dat de elastische eigenschappen van de buitenste en binnenste wandlagen binnen een nauwkeurig bereik moeten vallen voordat het van stuifmeel afgeleide materiaal dit gelachtige gedrag vertoont, wat suggereert dat voor een individueel stuifmeeldeeltje, er is een chemische en fysieke route die bepaalt of hydratatie leidt tot een succesvolle ontkieming.

NTU-assistent-professor Song Juha zei:"Onze studie inspireert toekomstig onderzoek om te begrijpen hoe de materiaalwetenschap van stuifmeel het reproductieve succes van planten kan beïnvloeden."