How designing brand-new enzymes could change the world | Adam Garske
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Biologie kann oft die ultimative Designinspiration sein. Vor kurzem konnten Ingenieure des MIT ein Blatt aus dem Naturbuch nehmen, um ein Material zu entwerfen, das sich selbst heilt und CO2-negativ Es ist ein willkommenes neues Instrument zur Bekämpfung des Klimawandels und könnte eines Tages emissionsschwere Materialien wie Beton durch eine weitaus wartungsärmere und umweltfreundlichere Alternative ersetzen.
In der neuen Studie veröffentlicht in Fortgeschrittene Werkstoffe, Chemieingenieure zeigten, wie man ein Material entwirft, das klimawärmendes Kohlendioxid aus der Luft zieht und dieses dann zum Wachsen und Reparieren verwendet. Die von Professor Michael Strano am MIT geleitete Studie durchbricht Barrieren auf dem Gebiet der Materialwissenschaft mit einem kostengünstigen, einfach herzustellenden, selbstreparierenden Polymer, das nur wenig Material benötigt.
„Unser Material benötigt nur atmosphärisches Kohlendioxid und Umgebungslicht, die allgegenwärtig sind“, erklärt Ko-Autor Seonyeong Kwak Inverse in einer E-Mail.
Selbstheilende Eigenschaften scheinen oft dramatische Wunder zu sein, die der Tierwelt vorbehalten sind, zum Beispiel Geckos, die Schwänze und Seesterne, die ganze Gliedmaßen (oder noch wilder) Gliedmaßen, nachwachsen lassen ein ganzer Körper). Die Menschheit hat sich an der Regeneration bemüht und es geschafft, weiche Roboter zu entwerfen, die sich selbst reparieren können, und eine selbstheilende Telefonbeschichtung, um den Albtraum zerbrochener Bildschirme zu beenden. Bisherige Verfahren erfordern jedoch häufig eine externe Einwirkung, wie beispielsweise UV-Licht, Erhitzen oder eine chemische Behandlung. Dieses neue Polymer ist weitaus wartungsärmer und hat eine leicht zugängliche, reichlich vorhandene Energiequelle: Kohlendioxid.
Kohlenstoff fressende Chloroplasten sind der Schlüssel
"Stellen Sie sich ein synthetisches Material vor, das wie Bäume wachsen könnte, indem es Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid entnimmt und in das Rückgrat des Materials einbaut", erklärt Strano in einer Pressemitteilung.
Stranos Team machte dies möglich, indem es die Chloroplasten nutzte, den Bestandteil von Pflanzen, die Licht ernten und in Energie umwandeln.
In dem Hydrogel suspendiert sind ein Polymer namens Aminopropylmethacrylamid (APMA), aus Spinat entfernte stabilisierte Chloroplasten und ein Enzym namens Glucoseoxidase (GOx). Bei Einwirkung von Sonnenlicht produzieren die Chloroplasten Glukose. Dann setzt das Enzym GOx ein und verwandelt die Glukose in Gluconolacton (GL), das mit APMA einen Kreis bildet und genau das Material bildet, aus dem das Hydrogel selbst besteht, glukosehaltiges Polymethacrylamid (GPMAA). Forscher können buchstäblich sehen, wie das Material aus flüssiger Form zu einem Feststoff wächst.
Chloroplasten sind zwar für das Polymer wichtig und aufgrund ihres Überflusses attraktiv, aber sie stellten auch anspruchsvolle Designprobleme. Als biologische Komponenten sind Chloroplasten nicht dazu motiviert, zu funktionieren, wenn sie von ihrem Pflanzenhaus getrennt werden. Sobald sie entfernt sind, haben ihre photosynthetisierenden Fähigkeiten nur wenige Stunden bis maximal einen Tag. Zur Zeit erhöhte die chemische Behandlung von Chloroplasten die Stabilität und die Glukoseproduktion, die Forscher hoffen jedoch auf eine nicht-biologische Alternative.
Selbstheilung für Nachhaltigkeit
Mit zunehmender Dringlichkeit, nachhaltigere Lebensmethoden zu entwickeln, verspricht das Polymer, die Denkweise über die Aufrechterhaltung der bebauten Umwelt um uns herum neu zu bestimmen.
„Unsere Arbeit zeigt, dass Kohlendioxid nicht nur eine Belastung und Kosten sein muss“, sagt Strano. „Dies ist auch eine Chance in dieser Hinsicht. Es gibt überall Kohlenstoff. Wir bauen die Welt mit Kohlenstoff. Menschen bestehen aus Kohlenstoff. Die Herstellung eines Materials, das Zugang zu dem reichlich vorhandenen Kohlenstoff um uns herum hat, ist eine bedeutende Chance für die Materialwissenschaft. Auf diese Weise besteht unsere Arbeit darin, Materialien herzustellen, die nicht nur kohlenstoffneutral sind, sondern kohlenstoffnegativ sind. “
Das Material ist für eine großflächige Konstruktion nicht stark genug, aber kurzfristige Anwendungen wie das Auffüllen von Rissen oder für selbstheilende Beschichtungen könnten in nur 1-2 Jahren realisiert werden.
"Die Materialwissenschaft hat so etwas noch nie produziert", sagte Strano MIT-Nachrichten. "Diese Materialien ahmen einige Aspekte von etwas Lebendigem nach, obwohl sie sich nicht reproduzieren."
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