Ogni anno nel mondo vengono generati 400 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica. Tra i 19 e i 23 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica finiscono negli ecosistemi acquatici, mentre il resto finisce nel terreno. Ogni anno vengono generati ulteriori 92 milioni di tonnellate di rifiuti tessili.
Challa Kumar, professore emerito di chimica, "stufo" dell'enorme quantità di rifiuti tossici che le persone continuamente immettono nell'ambiente, si è sentito obbligato a fare qualcosa. Come chimico, fare qualcosa significava usare la sua esperienza per sviluppare materiali nuovi e sostenibili.
"Tutti dovrebbero pensare a sostituire i materiali basati sui combustibili fossili con materiali naturali ovunque possibile per aiutare la nostra civiltà a sopravvivere", afferma Kumar. "La casa è in fiamme, non vediamo l'ora. Se la casa è in fiamme e inizi a scavare un pozzo, non funzionerà. È ora di iniziare a versare acqua sulla casa."
Kumar ha sviluppato due tecnologie che utilizzano rispettivamente proteine e tessuti per creare nuovi materiali. Technology Commercialization Services (TCS) di UConn ha depositato brevetti provvisori per entrambe le tecnologie.
Ispirandosi alla capacità della natura di costruire una vasta gamma di materiali funzionali, Kumar e il suo team hanno sviluppato un metodo per produrre materiali non tossici a regolazione continua.
"La chimica è l'unica cosa che ci ostacola", afferma Kumar. "Se comprendiamo la chimica delle proteine, possiamo creare materiali proteici forti come un diamante o morbidi come una piuma."
La prima innovazione è un processo per trasformare le proteine presenti in natura in materiali simili alla plastica. Lo studente di Kumar, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., ha lavorato a questo progetto.
Le proteine hanno sulla loro superficie dei "gruppi reattori" che possono reagire con le sostanze con cui entrano in contatto. Sfruttando la sua conoscenza del funzionamento di questi gruppi, Kumar e il suo team hanno utilizzato un collegamento chimico per legare insieme le molecole proteiche.
Questo processo crea un dimero, una molecola composta da due proteine. Da lì, il dimero viene unito ad un altro dimero per creare il tetramero, e così via fino a diventare una grande molecola 3D. Questo aspetto 3D della tecnologia è unico, poiché la maggior parte dei polimeri sintetici sono catene lineari.
Questa nuova struttura 3D consente al nuovo polimero di comportarsi come una plastica. Proprio come le proteine di cui è composto, il materiale può allungarsi, cambiare forma e piegarsi. Pertanto, il materiale può essere personalizzato tramite la chimica per una varietà di applicazioni specifiche.
A differenza dei polimeri sintetici, poiché il materiale di Kumar è costituito da proteine e da una sostanza chimica che crea legami biologici, può biodegradarsi, proprio come fanno naturalmente le proteine vegetali e animali.
"La natura degrada le proteine lacerando i legami ammidici che sono in esse", dice Kumar. "Possiede enzimi per gestire questo tipo di chimica. Abbiamo gli stessi legami ammidici nei nostri materiali. Quindi, gli stessi enzimi che funzionano in biologia dovrebbero funzionare anche su questo materiale e biodegradarlo naturalmente."
In laboratorio, il team ha scoperto che il materiale si degrada entro pochi giorni in soluzione acida. Ora stanno studiando cosa succederebbe se seppellissero questo materiale nel terreno, che è il destino di molte materie plastiche post-consumo.
Hanno dimostrato che il materiale a base proteica può formare una varietà di prodotti simili alla plastica, inclusi coperchi per tazze di caffè e sottili pellicole trasparenti. Potrebbe anche essere utilizzato per realizzare tegole resistenti al fuoco o materiali di fascia alta come portiere di automobili, punte di coni di razzi o valvole cardiache.
I prossimi passi di questa tecnologia saranno continuare a testarne le proprietà meccaniche, come resistenza o flessibilità, nonché la tossicità.
"Penso che dobbiamo avere una consapevolezza sociale che non possiamo immettere nell'ambiente materiali tossici", afferma Kumar. "Non possiamo proprio. Dobbiamo smettere di farlo. E non possiamo nemmeno utilizzare materiali derivati da combustibili fossili."
La seconda tecnologia di Kumar utilizza un principio simile, ma invece delle sole proteine, utilizza proteine rinforzate con fibre naturali, in particolare cotone.
"Ogni anno creiamo molti rifiuti tessili a causa del settore della moda in rapida evoluzione", afferma Kumar. "Allora perché non utilizzare quei rifiuti per creare materiali utili:convertire i rifiuti in ricchezza."
Proprio come i materiali proteici simili alla plastica (chiamati "Proteios", derivati dalle parole greche originali), Kumar prevede che i materiali compositi costituiti da proteine e fibre naturali saranno biodegradabili senza produrre rifiuti tossici.
In laboratorio, l'ex studente di Kumar, il dottorando Adekeye Damilola, ha creato molti oggetti con compositi proteici e tessuti, tra cui piccole scarpe, scrivanie, fiori e sedie. Questo materiale contiene fibre tessili che fungono da agente legante con le proteine, anziché la sostanza chimica reticolante che Kumar utilizza per la plastica a base proteica.
La reticolazione fornisce al nuovo materiale la forza per sopportare il peso che verrebbe messo su qualcosa come una sedia o un tavolo. L'affinità naturale tra fibre e proteine è il motivo per cui è così difficile togliere le macchie di cibo dai vestiti. Questa stessa attrazione rende forti i materiali in tessuto proteico.
Anche se finora il team di Kumar ha lavorato solo con il cotone, si aspetta che altri materiali fibrosi, come le fibre di canapa o la iuta, si comportino in modo simile a causa delle loro proprietà chimiche intrinseche ma comuni al cotone.
"La proteina aderisce naturalmente alla superficie della proteina", afferma Kumar. "Abbiamo usato questa comprensione per dire 'Ehi, se si lega così strettamente al cotone, perché non ne ricaviamo un materiale.' E funziona, funziona in modo sorprendente."
Fornito dall'Università del Connecticut
