Nytt selvhelende, karbon-negativt materiale kan bidra til å bekjempe klimaendringer

Biologi kan ofte være den ultimate designinspirasjonen. Sist, ingeniører ved MIT var i stand til å ta et blad ut av naturens lekebok for å designe et materiale som er selvhelbredende og karbon-negativ. Det er et godt nytt verktøy i kampen mot klimaendringer, og kan en dag erstatte utslippstunge materialer som betong med et langt mer vedlikeholdsvennlig, miljøvennlig alternativ.

I den nye studien publisert i Avanserte materialer, kjemiske ingeniører demonstrerte hvordan man skal designe et materiale som er i stand til å tegne klimavannende karbondioksid fra luften og deretter bruke den til å vokse og reparere seg selv. Studien, ledet av professor Michael Strano ved MIT, bryter barrierer innen materialvitenskap, med en billig, enkel å produsere, selvreparerende polymer som trenger minimal materiale.

"Vårt materiale trenger ikke annet enn atmosfærisk karbondioksid og omgivende lys, som er allestedsnærværende, forklarer medforfatter Seonyeong Kwak å Omvendt i en e-post.

Selvhelende egenskaper synes ofte å være dramatiske mirakler reservert for dyrenes verden, for eksempel kekoser som vokser tilbake haler og sjøstjerner som vokser tilbake hele lemmer (eller villere fortsatt, lemmer som vokser tilbake en hel kropp). Menneskeheten har dabbled i regenerering, klarer å designe myke roboter som kan reparere seg selv og et selvhelende telefonbelegg for å avslutte mareritt med knuste skjermer. Men tidligere metoder krever ofte ekstern inngang, for eksempel UV-lys, oppvarming eller kjemisk behandling. Denne nye polymeren er langt lavere vedlikehold og har en lett tilgjengelig, rikelig energikilde: karbondioksid.

Carbon-Eating Chloroplasts er nøkkelen

"Tenk deg et syntetisk materiale som kan vokse som trær, ta karbon fra karbondioksidet og inkorporerer det i materialets ryggrad," forklarer Strano i en pressemelding.

Ved å utnytte kloroplaster, komponentene i planter som høster og forvandler lys til energi, gjorde Stranos lag dette mulig.

Suspendert i hydrogelen er en polymer kalt aminopropylmetakrylamid (APMA), stabiliserte kloroplaster fjernet fra spinat og et enzym kalt glukoseoksidase (GOx). Når det utsettes for sollys, produserer kloroplastene glukose. Deretter sparker enzymet GOx inn og setter glukosen til glukonolakton (GL), som reagerer med APMA for å komme i full sirkel, og skaper selve materialet som utgjør hydrogelen selv, glukoseholdig polymetakrylamid (GPMAA). Forskere kan bokstavelig talt se materialet vokse til et fast stoff fra flytende form.

Mens de er nøkkelen til polymeren og attraktiv på grunn av deres overflod, presenterte kloroplaster også utfordrende designproblemer. Som biologiske komponenter er kloroplaster ikke motivert til å fungere når de er skilt fra sine planteboliger - når de er fjernet, varer de fotosyntetiserende evner bare noen få timer til en dag, maksimalt. For tiden økte kjemisk behandling av kloroplaster stabilitet og glukoseproduksjon, men forskerne håper å bytte til et ikke-biologisk alternativ.

Selvhelbredende for bærekraft

Med voksende haster med å utvikle mer bærekraftig levevis, holder polymeren et løfte om å hjelpe tilbakestill tenkning om å opprettholde det bygde miljøet rundt oss.

"Vårt arbeid viser at karbondioksid ikke trenger å være bare en byrde og en kostnad," sier Strano. "Det er også en mulighet i denne forbindelse. Det er karbon overalt. Vi bygger verden med karbon. Mennesker er laget av karbon. Å lage et materiale som kan få tilgang til det store karbonet rundt oss er en betydelig mulighet for materialvitenskap. På denne måten jobber vårt arbeid med å lage materialer som ikke bare er karbonneutrale, men karbon negative."

Materialet er ikke sterkt nok til storskala konstruksjon, men kortsiktige applikasjoner som fylling av sprekker eller selvhelbredende belegg kan realiseres på så få som 1-2 år.

"Materialvitenskap har aldri produsert noe som dette," sa Strano MIT News. "Disse materialene etterligner noen aspekter av noe som lever, selv om det ikke reproduserer."