Các tế bào từ thực vật đã được biến thành một vật liệu tổng hợp sinh học có thể phân hủy tự nhiên sau khi hết thời gian có ích.
Sự phụ thuộc của nhân loại vào nhựa là một vấn đề quan trọng. Vật liệu này có nguồn gốc từ dầu mỏ và thường kết thúc vòng đời của nó ở nơi tập kết và hoặc trong lò đốt rác. Dù bằng cách nào, đây cũng là một điều không bền vững. Vậy tại sao không phát triển vật liệu tổng hợp sinh học thân thiện với môi trường hơn?
Chuyện này không đơn giản như ta tưởng. Hầu hết các loại nhựa phân hủy sinh học đều dựa vào cấu trúc ma trận có nguồn gốc từ dầu mỏ. Điều đó vì các ma trận sinh học thường thiếu độ chắc khỏe cho hầu hết các ứng dụng kỹ thuật và kết cấu.
Sau đó là đến gỗ tự nhiên, có thể được xử lý để cung cấp cho nó các đặc tính cạnh tranh với thép và gốm sứ. Nhưng quá trình sản xuất này đòi hỏi các phương pháp xử lý hóa học khắc nghiệt không thân thiện với môi trường.
Vì vậy, việc tìm cách biến các loài thực vật thông thường thành các vật liệu tổng hợp sinh học bền vững và có thể so sánh về hiệu suất cơ học với gỗ chế biến và nhựa thông thường.
Hãy quan sát Eleftheria Roumeli và các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ California. Nhóm nghiên cứu này đã tìm ra cách biến các tế bào từ cây thuốc lá thành một vật liệu cực kỳ mạnh mẽ với các tính chất cơ học giống như gỗ.
Phương pháp sản xuất rất đơn giản. Nhóm nghiên cứu bắt đầu với các tế bào từ cây thân thảo Nicotiana tabacum, được nuôi cấy bằng huyền phù lỏng trong phòng thí nghiệm. Loài thực vật được trồng rộng rãi này tạo ra lá được chế biến thành thuốc lá.
Những tế bào này được nghiên cứu kỹ lưỡng và có thể được cung cấp dễ dàng cho các nhà nghiên cứu. Một số dòng tế bào, chẳng hạn như dòng BY-2, có thể nhân lên gấp 100 lần trong vòng một tuần khi được trồng trong hệ thống huyền phù. Roumeli và cộng sự không cho biết họ sử dụng loại tế bào nào, mặc dù các tế bào BY-2 có vẻ là một lựa chọn hợp lý, dựa trên các tài liệu tham khảo trong bài báo của họ.
Mỗi tế bào có một thành tế bào được củng cố bởi các vi sợi được làm từ protein và cellulose, giúp kết nối thành vách một cách hiệu quả. Thành tế bào bao quanh nhân tế bào, chứa các loại máy móc phân tử sinh học khác nhau để xử lý năng lượng, v.v. và tế bào chất, phần lớn là nước. (Các dòng tế bào BY-2 không quang hợp và do đó không chứa diệp lục).
Sau khi nuôi cấy các tế bào, nhóm nghiên cứu thu hoạch và nén chúng trong khuôn. Khuôn có tính thấm để cho phép nước thoát ra. “Trong quá trình nén, nước khuếch tán qua thành tế bào thực vật và khối lượng tế bào giảm dần”, họ nói.
Thật vậy, các tế bào mất đi 98% trọng lượng của chúng trong quá trình này. Hầu hết sự giảm trọng lượng này là do bay hơi nước, nhưng có cả những quá trình khác tham gia nữa, chẳng hạn như sự phân hủy của các phân tử sinh học phức tạp bao gồm pectin, hemiaellulose và các hợp chất của phenol.
Nhóm nghiên cứu sau đó làm nóng vật liệu đã mất nước. Điều này làm cho các vi sợi trải qua quá trình chuyển pha và hình thành các cấu trúc tinh thể. Vật liệu thu được là một chất tổng hợp sinh học, bao gồm một hỗn hợp không đồng nhất của các polymer sinh học được tổng hợp tự nhiên, theo Roumeli và cộng sự.
Và vật liệu này khá cứng rắn. Nhóm nghiên cứu đã đo các tính chất cơ học của nó và so sánh nó với các loại gỗ mềm như thông; các loại gỗ cứng như dương, sồi và gỗ óc chó; và ván ép thương mại và MDF. Họ cũng so sánh nó với nhựa tổng hợp với mật độ tương tự, chẳng hạn như polystyrene, polypropylene và polyethylene mật độ thấp.
Kết quả đã cho thấy vật liệu này tốt như thế nào. Hiệu suất cơ học của vật liệu tương đương với các loại gỗ và nhựa thương mại và vượt qua tất cả các giá trị cho các vật liệu làm từ tế bào thực vật, thể sợi (mycelium) hay các ma trận nấm men
Nhóm nghiên cứu tiếp tục làm cho vật liệu mạnh hơn bằng cách thêm sợi carbon. Thật vậy, họ có thể tinh chỉnh thêm các tính chất của vật liệu tổng hợp sinh học với các chất phụ gia khiến nó dẫn điện hoặc mang từ tính.
Một câu hỏi quan trọng về tính bền vững là làm thế nào vật liệu này phân hủy vào cuối vòng đời của nó bởi người ta sợ rằng vì quá chắc khỏe, vật liệu có thể không dễ phân hủy
Để tìm hiểu điều này, Roumeli và đồng nghiệp chôn mẫu của họ trong đất nông nghiệp cùng với một số gỗ thông thường và xem điều gì xảy ra. Cả hai mẫu ban đầu tăng trọng lượng bằng cách hấp thụ nước từ đất. Nhưng rồi cả hai đều phân hủy một cách tự nhiên.
Sự mất mát khối lượng có thể phát hiện được là do sự phân hủy sinh học của các chất tổng hợp sinh học bắt đầu 3 tuần sau khi ủ, trong khi đối với gỗ tự nhiên, nó bắt đầu khoảng 7 tuần sau đó” nhóm cho biết. “Chúng tôi quan sát thấy sự phân hủy sinh học gần như hoàn toàn của vật liệu tổng hợp sinh học 14 tuần sau khi ủ ban đầu.
Tài liệu tham khảo: arxiv.org/abs/1909.01926 : Plant Cells-Based Biological Matrix Composites
Nguồn: Technology Review
Lược dịch bởi El Niño
