Nytt självhelande, kol-negativt material kan hjälpa till att bekämpa klimatförändringen

Biologi kan ofta vara den ultimata designinspirationen. Senast har ingenjörer på MIT tagit ett blad ut ur naturens playbook för att designa ett material som är självläkande och kol-negativa. Det är ett välkommet nytt verktyg i kampen mot klimatförändringar, och kan en dag ersätta utsläpps tunga material som betong med ett miljövänligare alternativ som är mycket mindre underhåll.

I den nya studien som publicerades i Avancerade material, kemiska ingenjörer visade hur man konstruerar ett material som kan dra klimatuppvärmning av koldioxid från luften och sedan använda den för att växa och reparera sig själv. Studien, ledd av professor Michael Strano vid MIT, bryter mot barriärer inom materialvetenskap, med en billig, enkelproducerande, självreparationspolymer som behöver minimal material.

"Vårt material behöver bara atmosfärisk koldioxid och omgivande ljus, som är allestädes närvarande", förklarar medförfattare Seonyeong Kwak att Omvänd i ett mail.

Självläkande egenskaper verkar ofta vara dramatiska mirakler reserverade för djurvärlden, till exempel kakor som växer tillbaka svansar och sjöstjärna växer tillbaka hela lemmar (eller vildare fortfarande, lemmar som växer tillbaka en hel kropp). Människan har dabbled i regenerering, hanterar att designa mjuka robotar som kan reparera sig själva och en självhälsande telefonbeläggning för att avsluta mardrömmen av krossade skärmar. Men tidigare metoder kräver ofta extern ingång, såsom UV-ljus, värme eller kemisk behandling. Denna nya polymer är mycket lägre underhåll och har en lättillgänglig, riklig energikälla: koldioxid.

Koldioxidförtätande kloroplaster är nyckeln

"Föreställ dig ett syntetiskt material som kan växa som träd, ta kolet från koldioxiden och införliva det i ryggraden", förklarar Strano i ett pressmeddelande.

Genom att dra fördel av kloroplaster, gör komponenten av växter som skördar och omvandlar ljus till energi, gjorde Stranos lag det möjligt.

Suspended i hydrogelen är en polymer som heter aminopropylmetakrylamid (APMA), stabiliserade kloroplaster avlägsnas från spenat och ett enzym som kallas glukosoxidas (GOx). När de utsätts för solljus producerar kloroplasterna glukos. Sedan slår enzymet GOx in, vilket gör glukosen till glukonolakton (GL), som reagerar med APMA för att komma i full cirkel, vilket skapar det material som utgör själva hydrogelen, glukosinnehållande polymetakrylamid (GPMAA). Forskare kan bokstavligen se materialet växa till en fast substans från flytande form.

Medan de är nyckeln till polymeren och attraktiva på grund av deras överflöd, presenterade kloroplaster också utmanande designproblem. Som biologiska komponenter är kloroplaster inte motiverade att fungera när de är separerade från sina växthem - en gång avlägsnad, fortsätter deras fotosyntetiserande förmågor bara några timmar till en dag, maximalt. För närvarande har kemisk behandling av kloroplaster ökat stabiliteten och glukosproduktionen, men forskare hoppas övergå till ett icke-biologiskt alternativ.

Självläkning för hållbarhet

Med ökande brådska att utveckla mer hållbara levnadsmetoder, innehåller polymeren ett löfte som hjälper till att återställa tänkandet att behålla den byggda miljön runtom oss.

"Vårt arbete visar att koldioxid inte behöver vara enbart en börda och en kostnad", säger Strano. "Det är också en möjlighet i detta avseende. Det finns kol överallt. Vi bygger världen med kol. Människor är gjorda av kol. Att göra ett material som kan komma åt det rikliga kolet runt oss är ett viktigt tillfälle för materialvetenskap. På så sätt handlar det om att ta fram material som inte bara är koldioxidneutrala, utan även kolnegativa."

Materialet är inte tillräckligt starkt för storskalig konstruktion, men kortvariga applikationer som fyllning av sprickor eller självhärdande beläggningar kan realiseras på så lite som 1-2 år.

"Materialvetenskap har aldrig producerat något så här," sa Strano MIT News. "Dessa material efterliknar vissa aspekter av något som lever, även om det inte reproducerar."