Secondo una nuova ricerca della North Carolina State University, i materiali con struttura migliorata derivati da crostacei e alghe potrebbero far parte di una risposta di prossima generazione alla sfida di sostituire le pellicole plastiche a base di petrolio.
La combinazione del chitosano, un biopolimero che rende duri i gusci dei granchi, con l’agarosio, un biopolimero estratto dalle alghe marine utilizzato per produrre gel, crea pellicole composite biopolimeriche uniche con maggiore resistenza. Le pellicole sono inoltre biodegradabili, hanno proprietà antibatteriche, respingono l'acqua e sono trasparenti. I risultati potrebbero eventualmente portare a pellicole da imballaggio sostenibili per alimenti e beni di consumo.
"Come possiamo trovare sostituti sostenibili per i polimeri sintetici?" hanno chiesto Orlin Velev, S. Frank e Doris Culberson, illustre professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NC State e autore corrispondente di un articolo che descrive la ricerca.
"I polimeri sintetici creano film molto buoni, ma vogliamo sostituirli con biopolimeri naturali. La domanda diventa come possiamo regolare la struttura congiunta di questi polimeri naturali - nel nostro caso, agarosio e chitosano - in modo da poter avere tutte le proprietà desiderabili di polimeri sintetici all'interno di una pellicola sostenibile e biodegradabile?"
Potrebbe non essere sufficiente mescolare semplicemente insieme chitosano e agarosio. Velev afferma che i precedenti sforzi per produrre tali miscele hanno riportato miglioramenti nelle proprietà ma, una volta essiccati, hanno creato pellicole granulose che potrebbero non avere la giusta resistenza.
Invece, Velev e i suoi collaboratori hanno adottato un approccio diverso, rinforzando i film di agarosio con materiale in scaglie colloidali fibrillate, chiamate colloidi dendritici molli, a base di chitosano. Le forti fibrille di chitosano su scala micro e nanometrica sono ramificate gerarchicamente per fornire forza e stabilità alla pellicola di agarosio in cui sono incorporate.
"È difficile modificare chimicamente i polimeri naturali, ma possiamo alterare la loro morfologia e usarli come compositi", ha affermato Yosra Kotb, Ph.D. dello stato del NC. laureato e primo autore dell'articolo.
"Utilizziamo particelle dendritiche di chitosano per rinforzare la matrice di agarosio a causa della compatibilità di entrambi i materiali che porta a buone proprietà meccaniche; le particelle di chitosano hanno anche una carica opposta all'agarosio. Quando miscelate, queste cariche vengono neutralizzate in modo che i materiali risultanti diventino anche più resistenti all'agarosio. acqua."
La ricerca mostra che i compositi biopolimerici sono circa quattro volte più resistenti dei soli film di agarosio, e resistono anche all'E.coli, un batterio comunemente studiato. L'articolo ha inoltre dimostrato che un foglio realizzato con pellicole composite di biopolimeri si è notevolmente degradato dopo un mese sottoterra, mentre, per fare un confronto, un comune sacchetto di plastica per sandwich è rimasto completamente intatto dopo lo stesso periodo sottoterra.
"È interessante notare che il nostro composito è inizialmente fortemente antibatterico", ha detto Velev, "ma poiché è realizzato con materiali naturali, dopo un po' di tempo i batteri continueranno a colonizzarlo, quindi dopo un mese sotto terra si biodegraderà facilmente."
Velev ha aggiunto che il suo laboratorio continuerà a lavorare per apportare miglioramenti alla struttura dei film compositi in biopolimero con l'obiettivo di uguagliare eventualmente le proprietà di quelli dei polimeri sintetici.
"Se si confezionano alimenti, si desidera che la confezione sia impermeabile all'ossigeno e all'acqua", ha affermato. "Ma i materiali naturali sono permeabili, quindi continueremo a lavorare per rendere le nostre pellicole più impermeabili all'acqua e all'ossigeno."
Anche aumentare la scalabilità del processo di produzione dei materiali è uno degli obiettivi futuri. "Come si realizza la pellicola sostitutiva del polimero in un processo continuo sufficientemente rapido da produrla in quantità sufficienti, come nella produzione della carta?" Velev ha detto.
I risultati appaiono in Cell Reports Physical Science .
Ulteriori informazioni: Yosra Kotb et al, Film compositi in biopolimero rinforzati gerarchicamente come sostituto multifunzionale della plastica, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101732
Informazioni sul giornale: Cell Reports Scienze fisiche
Fornito dalla North Carolina State University
