Le cellule delle piante sono state trasformate in un biocomposito resistente che viene a degradarsi naturalmente dopo la sua vita utile.
di ArXiv
La dipendenza dell’umanità dalla plastica è un problema serio. Questo materiale è derivato dal petrolio e generalmente termina la sua vita in discarica e/o in un inceneritore. Quindi perché non sviluppare biocompositi più rispettosi dell’ambiente?
Non è semplice come sembra. La maggior parte delle materie plastiche biodegradabili si basa su una struttura a matrice derivata dal petrolio, che supplisce alle matrici biologiche in genere prive della resistenza necessaria alla maggior parte delle applicazioni ingegneristiche e strutturali.
Poi c’è il legno naturale, che può essere lavorato per dargli proprietà che replicano quelle dell’acciaio e della ceramica. Ma questa “trasformazione” richiede trattamenti chimici aggressivi poco rispettosi dell’ambiente.
Quindi c’è un forte interesse nel trovare modi per trasformare le normali piante in biocompositi sostenibili e comparabili nelle prestazioni meccaniche al legno lavorato e alla plastica convenzionale.
Eleftheria Roumeli e i colleghi del California Institute of Technology hanno trovato il modo di 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”, essi affermano. “La loro rigidità e resistenza superano quella delle materie plastiche commerciali di densità simile, come il polistirolo e il polietilene a bassa densità, pur essendo interamente 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 a rapida crescita produce foglie che vengono trasformate in tabacco.
Le caratteristiche delle sue cellule sono conosciute e il materiale è di facile reperibilità per i ricercatori. Alcune linee cellulari, come la linea BY-2, possono moltiplicarsi fino a 100 volte entro una settimana se coltivate in sospensione.
Roumeli e colleghi non specificano che tipo di cellula usano, anche se dai dati della loro ricerca le cellule BY-2 sembrano la scelta più ragionevole.
La loro parete cellulare è rinforzata da microfibrille fatte di proteine e cellulosa, che formano un intreccio stabile. La parete cellulare racchiude il nucleo cellulare, vari tipi di apparati biomolecolari per la produzione di energia e il citoplasma, in gran parte acqua (Le linee cellulari BY-2 non hanno fotosintesi e quindi non contengono clorofilla).
Dopo aver coltivato le cellule, il team le raccoglie e le comprime in uno stampo permeabile per consentire all’acqua di fuoriuscire. “Durante la compressione, l’acqua si diffonde attraverso la parete cellulare della pianta e il volume delle cellule viene gradualmente ridotto”, affermano i ricercatori.
In effetti, le cellule perdono il 98 per cento del loro peso durante questo processo. La maggior parte di ciò è dovuto all’evaporazione dell’acqua, ma ci sono altri processi in atto, come il degrado di biomolecole complesse tra cui pectine, emicellulosa e composti fenolici.
Il team quindi riscalda il materiale disidratato. Questo fa sì che le microfibrille subiscano una transizione di fase e formino strutture cristalline. “Il materiale ottenuto è un biocomposito, composto da una miscela eterogenea di biopolimeri sintetizzati naturalmente”, spiega Roumeli.
Ed è straordinariamente resistente. Il team ha misurato le sue proprietà meccaniche e lo ha confrontato con legni teneri come il pino, con legni duri come pioppo, quercia e noce, con il compensato commerciale e l’MDF, vale a dire i pannelli di fibra a media densità. Lo hanno anche messo a confronto con materie plastiche sintetiche di densità simile, come polistirolo, polipropilene e polietilene a bassa densità.
I risultati rivelano le virtù di questo materiale. “Le prestazioni meccaniche dei nostri biocompositi sono paragonabili a quelle dei legni e delle materie plastiche ingegnerizzate”, sostiene Roumeli. “Superano tutti i valori riportati in letteratura per materiali composti da cellule vegetali, micelio o matrici di lieviti.
Il team aumenta la resistenza del materiale aggiungendo fibra di carbonio. In effetti, si possono perfezionare ulteriormente le proprietà del biocomposito con additivi che lo rendono conduttivo o magnetico.
Una domanda importante per la sostenibilità è capire come degrada il materiale alla fine della sua vita. Il timore è che questo tipo di lavorazione produca biopolimeri talmente resistenti da non rompersi facilmente.
Per scoprirlo, il team di Roumeli ha sotterrato i suoi campioni in un terreno agricolo insieme a del legno ordinario. Entrambi i campioni inizialmente hanno guadagnato peso assorbendo l’acqua dal terreno. Ma poi entrambi hanno subito un processo di degradazione naturale.
“La perdita di massa rilevabile a causa della biodegradazione dei biocompositi inizia 3 settimane dopo l’incubazione, mentre per il legno naturale inizia circa 7 settimane dopo”, conclude il team. “La biodegradazione quasi completa del biocomposito si osserva invece 14 settimane dopo l’incubazione iniziale”.
immagine: Foglie di tabacco, Alex Plesovskich | Unsplash
(rp)
