Gli ingegneri dell'UD sono gli inventori principali di un nuovo brevetto per la realizzazione di dispositivi piezoelettrici, come sensori e attuatori, utilizzando Nodax, un polimero biodegradabile a base biologica.
Ogni anno vengono prodotte più di 400 milioni di tonnellate di plastica, compresi articoli monouso come borse della spesa e bicchieri. Poiché questi materiali possono raggiungere l'ambiente senza degradarsi per lungo tempo, ricercatori e aziende sono alla ricerca di materiali che offrano proprietà fisiche simili a quelle della plastica convenzionale ma che siano rapidamente biodegradabili e non causino danni a piante e animali.
Un polimero inventato, progettato e sintetizzato chimicamente da Isao Noda, un professore affiliato al Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del College of Engineering dell'UD, è uno di questi materiali alternativi a base biologica e biodegradabile. Frutto di una collaborazione continua con John Rabolt, professore di scienza e ingegneria dei materiali con Karl W. e Renate Böer, si è scoperto che questo polimero ha proprietà piezoelettriche sorprendentemente elevate, il che significa che è in grado di produrre elettricità quando piegato o deformato.
Ora, il gruppo di ricerca con sede nell’UD ha ottenuto un brevetto statunitense per l’uso di questo materiale innovativo per produrre dispositivi piezoelettrici. Insieme ai brevetti già concessi in diversi altri paesi, questo risultato apre la strada a un'ampia gamma di potenziali applicazioni e opportunità di commercializzazione.
Mentre lavorava come scienziato industriale presso Procter &Gamble, Noda è stato incaricato di trovare un nuovo tipo di materiale biodegradabile per pannolini e confezioni usa e getta. Ha iniziato a esaminare una classe di polimeri chiamati poliidrossialcanoati (PHA), un tipo di poliestere naturale prodotto da batteri e altri microrganismi e piante.
Il problema, ha spiegato Noda, era che i PHA conosciuti all'epoca erano troppo duri e fragili per essere utili nella maggior parte delle applicazioni pratiche.
"Stavo facendo molta caratterizzazione spettroscopica e mi sono reso conto che dovremmo essere in grado di trovare batteri che potrebbero modificare la struttura molecolare dei PHA in un modo particolare", ha spiegato Noda, riferendosi alla lunghezza della catena del gruppo laterale alchilico del polimero.
"Questi rami possono essere metile o etile, che non può essere facilmente fuso o lavorato. Ma, quando si estende questo ramo a tre atomi di carbonio, cioè propile, o anche di più, improvvisamente il materiale può essere lavorato più facilmente e diventa un materiale duttile. , polimero resistente e utile."
Questo polimero biodegradabile, con il nome commerciale Nodax, è prodotto oggi su scala industriale da Danimer Scientific, un’azienda biotecnologica focalizzata sulla creazione di materiali alternativi sostenibili per sostituire la plastica convenzionale. L'UD ha inoltre una partnership in corso con Danimer, che ha sostenuto i recenti sforzi per la richiesta di brevetto.
A differenza di come vengono fabbricate le plastiche standard, Nodax viene prodotto in grandi serbatoi da batteri utilizzando materie prime di origine vegetale. I polimeri Nodax formulati vengono poi acquistati da altre aziende per realizzare una varietà di prodotti di uso finale, con tassi di biodegradazione simili a quelli della cellulosa o dei rifiuti alimentari.
"Danimer Scientific è stata pioniera nella produzione commerciale di PHA presenti in natura, offrendo materiali biodegradabili e compostabili rinnovabili e completamente certificati per molte diverse applicazioni di confezionamento e servizi alimentari, come cannucce, posate, rivestimenti di carta, cialde di caffè e pellicole flessibili", ha affermato Keith A. . Edwards, vicepresidente dello sviluppo aziendale presso Danimer.
Scoprire nuove proprietà attraverso la ricerca fondamentale
Ma il lavoro non si è fermato una volta che i biopolimeri Nodax sono stati prodotti su larga scala. Dopo aver tenuto un discorso su invito all'UD nel 2012, Noda ha incontrato il collega di lunga data Rabolt e ha deciso di trasferire parte del materiale che aveva accumulato nel corso degli anni per supportare nuove strade di ricerca fondamentale. Noda, che è stato anche vicepresidente senior di Danimer Scientific dal 2013 al 2019 e fa tuttora parte del consiglio di amministrazione, è entrato a far parte dell'UD come membro della facoltà affiliata nel 2012.
Con gli sforzi guidati dal Ph.D. gli ex studenti Liang Gong (ora alla 3M), Brian Sobieski (ora alla FXI), Changhao Liu (ora ai sistemi A123) e il professore di ricerca in scienza dei materiali e ingegneria Bruce Chase, oltre a Noda e Rabolt, ha scoperto il team di ricerca con sede all'UD proprietà ancora più uniche dei PHA. Ciò includeva la scoperta che una delle forme del materiale era altamente piezoelettrica, il che significa che conserva una carica elettrica dopo l'applicazione di una forza meccanica.
"È stata una grande collaborazione:avevamo chimici, reologi, fisici e il giusto mix di competenze per essere in grado di comprendere e fare cose diverse con questo materiale unico", ha affermato Rabolt.
Questa scoperta ha portato l'Ufficio per l'innovazione economica e i partenariati (OEIP) dell'UD a richiedere un brevetto utilizzando Nodax come polimero biodegradabile per realizzare dispositivi piezoelettrici nel 2019; quel brevetto è stato concesso e rilasciato all'inizio di quest'anno, con inventori nominati tra cui Chase, Noda e Rabolt.
"È emozionante vedere i risultati di questa collaborazione tra l'Università del Delaware e Danimer Scientific, che ha il potenziale per innescare una reazione a catena di benefici", ha affermato Julius Korley, vicepresidente associato dell'OEIP.
"Man mano che le aziende incorporano Nodax in dispositivi utili al pubblico, le royalties sui brevetti torneranno all'Università per premiare i nostri inventori e promuovere gli investimenti nella ricerca e nell'innovazione, mentre i nostri studenti imparano a diventare innovatori lungo il percorso."
La scoperta che Nodax ha elevate proprietà piezoelettriche significa che potrebbe essere potenzialmente utilizzato in sensori o attuatori. Nodax potrebbe anche servire come possibile sostituto del fluoruro di polivinilidene (PVDF), un comune materiale piezoelettrico costituito da sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS), una classe di "sostanze chimiche eterne" che sono state collegate a esiti negativi sulla salute.
Sebbene questo materiale sia ancora nelle prime fasi di sviluppo, le possibilità di ulteriore lavoro, sia in termini di ricerca fondamentale che di potenziali applicazioni, entusiasmano Noda. "Vogliamo scoprire ulteriori proprietà che non sono ancora state esplorate, capire come migliorare il materiale e adattare la lavorazione su scala industriale e, in generale, continuare a svolgere ricerche fondamentali che aiuteranno altre aziende con le loro applicazioni future", ha affermato.
"La parte divertente è semplicemente poter provare cose diverse nel tempo, magari sviluppare la capacità ferroelettrica o piroelettrica del materiale, cose del genere", ha aggiunto Rabolt. "Con questo nuovo materiale siamo davvero solo sulla punta dell'iceberg."
Danimer ha già collaborato con partner per produrre fibre tessili utilizzando Nodax per sostituire materiali convenzionali come PET e polipropilene. L'opportunità di espandersi ora nelle applicazioni in fibra piezoelettrica è uno sviluppo entusiasmante.
"Il futuro dei PHA come polimero più perfetto in molte applicazioni è adesso, e Danimer è ancora una volta pioniere di nuove soluzioni biotecnologiche con ottimi partner come UD", ha affermato Edwards.
Fornito dall'Università del Delaware
