Un materiale derivato dal tabacco è resistente come il legno o la plastica

Foglie di tabacco Alex Plesovsky | schizzare

La dipendenza dell'umanità dalla plastica è un problema significativo. Questo materiale è derivato dal petrolio e generalmente finisce la sua vita come discarica e/o in un inceneritore. Ad ogni modo, è insostenibile. Allora perché non sviluppare biocompositi più rispettosi dell'ambiente?

Non è così semplice come sembra. La maggior parte delle plastiche biodegradabili si basa su una struttura a matrice derivata dal petrolio. Questo perché le matrici biologiche generalmente non hanno la forza per la maggior parte delle applicazioni ingegneristiche e strutturali.

Poi c'è il legno naturale, che può essere lavorato per conferirgli proprietà che rivaleggiano con l'acciaio e la ceramica. Ma questa lavorazione richiede trattamenti chimici aggressivi non rispettosi dell'ambiente.

Quindi c'è un forte interesse nel trovare modi per trasformare le piante ordinarie in biocompositi che siano sostenibili e paragonabili nelle prestazioni meccaniche al legno lavorato e alla plastica convenzionale.

Entrano Eleftheria Roumeli e colleghi del California Institute of Technology. Questo team ha trovato un modo per trasformare le cellule delle piante di tabacco in un materiale estremamente resistente con proprietà meccaniche simili al legno. Abbiamo sviluppato un nuovo metodo per creare materiali biocompositi naturali basati su cellule vegetali, dicono. La rigidità e la resistenza [dei materiali] superano quelle delle plastiche commerciali di densità simile, come il polistirene e il polietilene a bassa densità, pur essendo completamente biodegradabili.

Il metodo di produzione è semplice. Il team inizia con le cellule della pianta erbacea Nicotiana tabacum, che coltivano in sospensione liquida in laboratorio. Questa pianta ampiamente coltivata produce foglie che vengono trasformate in tabacco.

Queste cellule sono ben studiate e facilmente disponibili per i ricercatori. Alcune linee cellulari, come la linea BY-2, possono moltiplicarsi 100 volte entro una settimana se coltivate in sospensione. Roumeli e colleghi non dicono che tipo di cella usano, sebbene le celle BY-2 sembrino una scelta ragionevole, dati i riferimenti del documento.

Ogni cellula ha una parete cellulare rinforzata da microfibrille costituite da proteine ​​e cellulosa, che legano efficacemente la parete. La parete cellulare racchiude il nucleo cellulare, vari tipi di macchinari biomolecolari per elaborare l'energia e così via, e il citoplasma, gran parte del quale è acqua. (Le linee cellulari BY-2 non fotosintetizzano e quindi non contengono clorofilla).

Dopo aver coltivato le cellule, il team le raccoglie e le comprime in uno stampo. Lo stampo è permeabile per consentire all'acqua di fuoriuscire. Durante la compressione, l'acqua si diffonde attraverso la parete cellulare vegetale e il volume cellulare viene gradualmente ridotto, dicono.

Infatti, le cellule perdono il 98% del loro peso durante questo processo. La maggior parte di ciò è dovuto all'evaporazione dell'acqua, ma ci sono altri processi all'opera, come la degradazione di biomolecole complesse tra cui pectine, emicellulosa e composti fenolici.

Il team quindi riscalda il materiale disidratato. Ciò fa sì che le microfibrille subiscano una transizione di fase e formino strutture cristalline. Il materiale ottenuto è un biocomposito, costituito da una miscela eterogenea di biopolimeri sintetizzati naturalmente, ad esempio Roumeli e co.

Ed è straordinariamente dura. Il team ha misurato le sue proprietà meccaniche e le ha confrontate con legni teneri come il pino; legni duri come pioppo, quercia e noce; e compensato commerciale e MDF. Lo hanno anche confrontato con plastiche sintetiche di densità simile, come polistirene, polipropilene e polietilene a bassa densità.

I risultati rivelano quanto sia buono questo materiale. Le prestazioni meccaniche dei nostri biocompositi sono paragonabili a quelle dei legni e delle plastiche ingegnerizzati commerciali, affermano Roumeli e co. Superano tutti i valori riportati dalla letteratura per i materiali composti da cellule vegetali, micelio o matrici di lievito.

Come si formano i biocompositi (BC) contro legno e plastica.

Il team continua a rendere il materiale ancora più resistente aggiungendo fibra di carbonio. Infatti, possono perfezionare ulteriormente le proprietà del biocomposito con additivi che lo rendono conduttivo o magnetico.

Una domanda importante per la sostenibilità è come questo materiale si degrada alla fine della sua vita. Il timore è che questo tipo di lavorazione produca biopolimeri così forti da non rompersi facilmente.

Per scoprirlo, Roumeli e compagni hanno seppellito i loro campioni nel terreno agricolo insieme a del legno ordinario e hanno osservato cosa è successo. Entrambi i campioni inizialmente hanno guadagnato peso assorbendo l'acqua dal terreno. Ma poi entrambi si ruppero naturalmente.

La perdita di massa rilevabile dovuta alla biodegradazione dei biocompositi inizia 3 settimane dopo l'incubazione, mentre per il legno naturale inizia circa 7 settimane dopo, afferma il team. Osserviamo una biodegradazione quasi completa del biocomposito 14 settimane dopo l'incubazione iniziale.

È un lavoro interessante che merita ulteriore attenzione. Laptop biodegradabili, chiunque?

Rif: arxiv.org/abs/1909.01926 : Compositi a matrice biologica a base di cellule vegetali

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