I ricercatori hanno creato un materiale a base vegetale, sostenibile e scalabile che potrebbe sostituire la plastica monouso in molti prodotti di consumo.
I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno creato un film polimerico imitando le proprietà della seta di ragno, uno dei materiali più resistenti in natura. Il nuovo materiale è resistente quanto molte plastiche comuni in uso oggi e potrebbe sostituire la plastica in molti comuni prodotti per la casa.
Il materiale è stato creato utilizzando un nuovo approccio per l’assemblaggio di proteine vegetali in materiali che imitano la seta a livello molecolare. Il metodo ad alta efficienza energetica, che utilizza ingredienti sostenibili, si traduce in un film autoportante simile alla plastica, che può essere realizzato su scala industriale. Il colore “strutturale” che non sbiadisce può essere aggiunto al polimero e può anche essere utilizzato per realizzare rivestimenti resistenti all’acqua.
Il materiale è compostabile in casa, mentre altri tipi di bioplastiche richiedono impianti di compostaggio industriale per degradarsi. Inoltre, il materiale sviluppato da Cambridge non richiede modifiche chimiche ai suoi elementi costitutivi naturali, in modo che possa degradarsi in sicurezza nella maggior parte degli ambienti naturali.
Il nuovo prodotto sarà commercializzato da Xampla, una società spin-out dell’Università di Cambridge che sviluppa prodotti sostitutivi per plastica e microplastiche monouso. L’azienda introdurrà una gamma di bustine e capsule monouso entro la fine dell’anno, che possono sostituire la plastica utilizzata nei prodotti di uso quotidiano come le pastiglie per lavastoviglie e le capsule di detersivo per bucato. I risultati sono riportati sulla rivista Nature Communications .
Per molti anni, il professor Tuomas Knowles del dipartimento di chimica Yusuf Hamied di Cambridge ha svolto ricerche sul comportamento delle proteine. Gran parte della sua ricerca si è concentrata su cosa succede quando le proteine si ripiegano male o si “comportano male”, e come questo si collega alla salute e alle malattie umane, principalmente il morbo di Alzheimer.
“Normalmente studiamo come le interazioni funzionali delle proteine ci consentono di rimanere in buona salute e come le interazioni irregolari sono implicate nell’Alzheimer”, ha detto Knowles, che ha guidato l’attuale ricerca. “È stata una sorpresa scoprire che la nostra ricerca potrebbe anche affrontare un grosso problema di sostenibilità: quello dell’inquinamento da plastica”.
Come parte della loro ricerca sulle proteine, Knowles e il suo gruppo si sono interessati al motivo per cui materiali come la seta di ragno sono così forti quando hanno legami molecolari così deboli. “Abbiamo scoperto che una delle caratteristiche chiave che conferisce alla seta di ragno la sua forza è che i legami idrogeno sono disposti regolarmente nello spazio e ad una densità molto elevata”, ha detto Knowles.
Il coautore Dr. Marc Rodriguez Garcia, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Knowles che ora è capo della ricerca e sviluppo di Xampla, ha iniziato a studiare come replicare questo regolare autoassemblaggio in altre proteine. Le proteine hanno una propensione all’auto-organizzazione molecolare e all’auto-assemblaggio, e le proteine vegetali in particolare sono abbondanti e possono essere reperite in modo sostenibile come sottoprodotti dell’industria alimentare.
“Si sa molto poco sull’autoassemblaggio delle proteine vegetali, ed è emozionante sapere che colmando questa lacuna di conoscenza possiamo trovare alternative alla plastica monouso “, ha affermato il Ph.D. candidata Ayaka Kamada, la prima autrice dell’articolo.
I ricercatori hanno replicato con successo le strutture trovate sulla seta di ragno utilizzando l’isolato di proteine di soia, una proteina con una composizione completamente diversa. “Poiché tutte le proteine sono costituite da catene polipeptidiche , nelle giuste condizioni possiamo far sì che le proteine vegetali si autoassemblano proprio come la seta di ragno”, ha affermato Knowles. “In un ragno, la proteina della seta viene sciolta in una soluzione acquosa, che poi si assembla in una fibra immensamente forte attraverso un processo di filatura che richiede pochissima energia”.
“Altri ricercatori hanno lavorato direttamente con materiali di seta come sostituto della plastica, ma sono ancora un prodotto animale”, ha affermato Rodriguez Garcia. “In un certo senso siamo arrivati alla ‘seta di ragno vegana’: abbiamo creato lo stesso materiale senza il ragno”.
Qualsiasi sostituzione della plastica richiede un altro polimero: i due in natura che esistono in abbondanza sono i polisaccaridi e i polipeptidi. La cellulosa e la nanocellulosa sono polisaccaridi e sono stati utilizzati per una vasta gamma di applicazioni, ma spesso richiedono una qualche forma di reticolazione per formare materiali resistenti. Le proteine si autoassemblano e possono formare materiali resistenti come la seta senza alcuna modifica chimica, ma sono molto più difficili da lavorare.
I ricercatori hanno utilizzato l’isolato proteico di soia (SPI) come proteina vegetale di prova, poiché è prontamente disponibile come sottoprodotto della produzione di olio di soia. Le proteine vegetali come l’SPI sono scarsamente solubili in acqua, rendendo difficile il controllo del loro autoassemblaggio in strutture ordinate.
La nuova tecnica utilizza una miscela ecologica di acido acetico e acqua, combinata con ultrasuoni e alte temperature, per migliorare la solubilità dell’SPI. Questo metodo produce strutture proteiche con interazioni intermolecolari potenziate guidate dalla formazione del legame idrogeno. In una seconda fase viene rimosso il solvente, che si traduce in una pellicola insolubile in acqua.
Il materiale ha prestazioni equivalenti a tecnopolimeri ad alte prestazioni come il polietilene a bassa densità. La sua forza risiede nella disposizione regolare delle catene polipeptidiche, il che significa che non è necessaria la reticolazione chimica, che viene spesso utilizzata per migliorare le prestazioni e la resistenza dei film di biopolimero. Gli agenti reticolanti più comunemente usati sono non sostenibili e possono anche essere tossici, mentre non sono richiesti elementi tossici per la tecnica sviluppata da Cambridge.
“Questo è il culmine di qualcosa su cui stiamo lavorando da oltre dieci anni, ovvero capire come la natura genera materiali dalle proteine”, ha affermato Knowles. “Non abbiamo deciso di risolvere una sfida di sostenibilità: eravamo motivati dalla curiosità su come creare materiali forti da interazioni deboli”.
“La svolta chiave qui è la capacità di controllare l’autoassemblaggio, quindi ora possiamo creare materiali ad alte prestazioni”, ha affermato Rodriguez Garcia. “È emozionante far parte di questo viaggio. C’è un enorme, enorme problema di inquinamento da plastica nel mondo e siamo nella posizione fortunata di poter fare qualcosa al riguardo”.
