Jaarlijks wordt er wereldwijd 400 miljoen ton plastic afval geproduceerd. Tussen de 19 en 23 miljoen ton van dat plastic afval komt terecht in aquatische ecosystemen, en de rest gaat de grond in. Jaarlijks wordt nog eens 92 miljoen ton textielafval gegenereerd.

Challa Kumar, emeritus hoogleraar scheikunde, had genoeg van de enorme hoeveelheid giftig afval dat mensen voortdurend in het milieu pompen en voelde zich genoodzaakt iets te doen. Als scheikundige iets doen, betekende dat hij zijn expertise moest gebruiken om nieuwe, duurzame materialen te ontwikkelen.

"Iedereen zou moeten nadenken over het vervangen van op fossiele brandstoffen gebaseerde materialen waar dan ook door natuurlijke materialen om onze beschaving te helpen overleven", zegt Kumar. "Het huis staat in brand, we kunnen niet wachten. Als het huis in brand staat en je begint een put te graven, dan zal dat niet werken. Het is tijd om water over het huis te gieten."

Kumar heeft twee technologieën ontwikkeld die respectievelijk eiwitten en stoffen gebruiken om nieuwe materialen te creëren. UConn's Technology Commercialization Services (TCS) heeft voorlopige patenten ingediend voor beide technologieën.

Geïnspireerd door het vermogen van de natuur om een ​​breed scala aan functionele materialen te construeren, ontwikkelden Kumar en zijn team een ​​methode om continu afstembare, niet-giftige materialen te produceren.

"Chemie is het enige dat ons in de weg staat", zegt Kumar. "Als we de eiwitchemie begrijpen, kunnen we eiwitmaterialen zo sterk maken als een diamant of zo zacht als een veertje."

De eerste innovatie is een proces om natuurlijk voorkomende eiwitten om te zetten in plasticachtige materialen. Kumar's student, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., werkte aan dit project.

Eiwitten hebben op hun oppervlak ‘reactorgroepen’ die kunnen reageren met stoffen waarmee ze in contact komen. Gebruikmakend van zijn kennis over hoe deze groepen werken, gebruikten Kumar en zijn team een ​​chemische link om eiwitmoleculen aan elkaar te binden.

Door dit proces ontstaat een dimeer:​​een molecuul dat uit twee eiwitten bestaat. Van daaruit wordt het dimeer samengevoegd met een ander dimeer om een ​​tetrameer te creëren, enzovoort totdat het een groot 3D-molecuul wordt. Dit 3D-aspect van de technologie is uniek, omdat de meeste synthetische polymeren lineaire ketens zijn.

Deze nieuwe 3D-structuur zorgt ervoor dat het nieuwe polymeer zich als een plastic kan gedragen. Net als de eiwitten waaruit het is gemaakt, kan het materiaal uitrekken, van vorm veranderen en vouwen. Zo kan het materiaal via chemie op maat worden gemaakt voor een verscheidenheid aan specifieke toepassingen.

In tegenstelling tot synthetische polymeren kan het materiaal van Kumar, omdat het is gemaakt van eiwitten en een biolinkende chemische stof, biologisch worden afgebroken, net zoals plantaardige en dierlijke eiwitten dat van nature doen.

"De natuur breekt eiwitten af ​​door de amidebindingen die erin zitten te verscheuren", zegt Kumar. "Het heeft enzymen die dat soort chemie aankunnen. We hebben dezelfde amidebindingen in onze materialen. Dus dezelfde enzymen die in de biologie werken, zouden ook op dit materiaal moeten werken en het op natuurlijke wijze biologisch moeten afbreken."

In het laboratorium ontdekte het team dat het materiaal binnen een paar dagen afbreekt in een zure oplossing. Nu onderzoeken ze wat er gebeurt als ze dit materiaal in de grond begraven, wat het lot is van veel post-consumer plastic.

Ze hebben aangetoond dat het op eiwitten gebaseerde materiaal een verscheidenheid aan plasticachtige producten kan vormen, waaronder deksels voor koffiekopjes en dunne transparante films. Het kan ook worden gebruikt om brandwerende dakpannen te maken, of hoogwaardige materialen zoals autodeuren, raketkegelpunten of hartkleppen.

De volgende stappen voor deze technologie zijn het blijven testen van hun mechanische eigenschappen, zoals sterkte of flexibiliteit, en toxiciteit.

"Ik denk dat we een sociaal bewustzijn moeten hebben dat we geen materialen in het milieu kunnen lozen die giftig zijn", zegt Kumar. "Dat kunnen we gewoon niet. Daar moeten we mee ophouden. En we kunnen ook geen materialen gebruiken die zijn afgeleid van fossiele brandstoffen."

De tweede technologie van Kumar maakt gebruik van een soortgelijk principe, maar in plaats van alleen maar eiwitten, worden eiwitten gebruikt die zijn versterkt met natuurlijke vezels, met name katoen.

"We creëren elk jaar veel textielafval als gevolg van de snel veranderende mode-industrie", zegt Kumar. "Dus waarom zou je dat afval niet gebruiken om nuttige materialen te creëren? Zet afval om in welvaart."

Net als de plasticachtige eiwitmaterialen (genaamd 'Proteios', afgeleid van originele Griekse woorden), verwacht Kumar dat composietmaterialen gemaakt van eiwitten en natuurlijke vezels biologisch afbreekbaar zullen zijn zonder giftig afval te produceren.

In het laboratorium creëerde Kumars voormalige student, promovendus Adekeye Damilola, veel objecten met composieten van eiwitweefsel, waaronder kleine schoenen, bureaus, bloemen en stoelen. Dit materiaal bevat textielvezels die dienen als verbindingsmiddel met de eiwitten, in plaats van de verknopende chemische stof die Kumar gebruikt voor de op eiwitten gebaseerde kunststoffen.

De verknoping geeft het nieuwe materiaal de kracht om het gewicht te weerstaan ​​dat op bijvoorbeeld een stoel of een tafel zou worden uitgeoefend. De natuurlijke affiniteit tussen vezels en eiwitten is de reden waarom het zo moeilijk is om voedselvlekken uit kleding te krijgen. Deze zelfde aantrekkingskracht zorgt voor sterke eiwitachtige materialen.

Hoewel het team van Kumar tot nu toe alleen met katoen heeft gewerkt, verwachten ze dat andere vezelmaterialen, zoals hennepvezels of jute, zich vergelijkbaar zullen gedragen vanwege hun inherente maar gemeenschappelijke chemische eigenschappen met katoen.

"Het eiwit hecht zich van nature aan het oppervlak van het eiwit", zegt Kumar. "We gebruikten dat begrip om te zeggen:'Hé, als het zo stevig aan katoen bindt, waarom maken we er dan geen materiaal van.' En het werkt, het werkt verbazingwekkend."

Aangeboden door Universiteit van Connecticut