Plastic fantastic: Grün, stark und essbar
Forscher haben einen biologisch abbaubaren Verbundwerkstoff entwickelt, der zur Bekämpfung der weltweiten Plastikmüllkrise beitragen könnte
Milliarden Tonnen von Plastikmüll belasten unsere Welt. Das meiste davon hat sich auf dem Boden und in den Ozeanen angesammelt oder zerfällt in winzige Partikel, das so genannte Mikroplastik, das die Luft und das Wasser verschmutzt und in die Vegetation sowie in die Blutbahn von Menschen und anderen Tieren eindringt. Das Ausmaß der Gefahr, die von Kunststoffen ausgeht, wird von Jahr zu Jahr größer, da sie aus massiven Molekülen, den so genannten Polymeren, bestehen, die nicht ohne weiteres biologisch abbaubar sind. Derzeit machen biologisch abbaubare Kunststoffe weniger als ein Fünftel der insgesamt produzierten Kunststoffmenge aus, und die für ihren Abbau erforderlichen Verfahren sind relativ mühsam.
In einer in ACS Nano veröffentlichten Studie haben Dr. Angelica Niazov-Elkan, Dr. Haim Weissman und Prof. Boris Rybtchinski von der Abteilung für Molekularchemie und Materialwissenschaften am Weizmann Institute of Science einen neuen Verbundkunststoff entwickelt, der sich mithilfe von Bakterien leicht abbauen lässt. Dieses neue Material, das durch die Kombination eines biologisch abbaubaren Polymers mit Kristallen aus einer biologischen Substanz hergestellt wird, hat drei große Vorteile: Es ist billig, leicht herzustellen und sehr stabil. An der Studie waren auch der verstorbene Dr. Eyal Shimoni, Dr. XiaoMeng Sui, Dr. Yishay Feldman und Prof. H. Daniel Wagner beteiligt.
Gegenwärtig setzen viele Industriezweige mit Begeisterung auf Verbundkunststoffe, die durch die Kombination von zwei oder mehr reinen Materialien hergestellt werden und verschiedene vorteilhafte Eigenschaften wie Leichtigkeit und Festigkeit aufweisen. Diese Kunststoffe dienen heute zur Herstellung wichtiger Teile einer Vielzahl von Industrieprodukten, von Flugzeugen über Autos bis hin zu Fahrrädern.
Auf der Suche nach einem Verbundkunststoff, der den Bedürfnissen der Industrie entspricht und gleichzeitig umweltfreundlich ist, beschlossen die Weizmann-Forscher, sich auf alltägliche, preiswerte Ausgangsmaterialien zu konzentrieren, deren Eigenschaften verbessert werden könnten. Sie fanden heraus, dass Tyrosinmoleküle - eine weit verbreitete Aminosäure, die außergewöhnlich starke Nanokristalle bildet - als wirksamer Bestandteil eines biologisch abbaubaren Verbundkunststoffs verwendet werden könnten. Nachdem sie untersucht hatten, wie sich Tyrosin mit verschiedenen Arten von Polymeren verbindet, entschieden sie sich für Hydroxyethylcellulose, ein Derivat von Cellulose, das in großem Umfang bei der Herstellung von Arzneimitteln und Kosmetika verwendet wird.
Hydroxyethylcellulose ist für sich genommen ein schwaches Material, das sich leicht auflöst. Um sie mit Tyrosin zu kombinieren, wurden die beiden Stoffe in kochendem Wasser vermischt. Nach dem Abkühlen und Trocknen entstand ein außergewöhnlich starker Verbundkunststoff aus faserartigen Tyrosin-Nanokristallen, die in die Hydroxyethylcellulose hineinwuchsen und sich mit ihr verbanden. In einem Experiment, das die Stärke des neuen Kunststoffs zeigte, hielt ein 0,04 Millimeter dicker Streifen des Materials einer Belastung von 6 Kilogramm stand. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass das neue Material mehrere andere einzigartige Eigenschaften aufweist, die es für die Industrie noch nützlicher machen. Wenn ein Material verstärkt wird, verliert es normalerweise an Plastizität. Dieser neue Verbundkunststoff ist jedoch nicht nur sehr stark, sondern auch duktiler (verformbarer) als sein Kernbestandteil, die Hydroxyethylcellulose. Mit anderen Worten: Durch die Kombination der beiden Materialien wurde eine Synergie geschaffen, die sich in außergewöhnlichen Eigenschaften niederschlägt und daher ein großes industrielles Potenzial besitzt.
Da sowohl Cellulose als auch Tyrosin - dessen Kristalle in verschiedenen Hartkäsesorten zu finden sind - essbar sind, kann der biologisch abbaubare Verbundkunststoff tatsächlich gegessen werden. Ist er auch schmackhaft? Das werden wir erst noch herausfinden müssen: Da der Herstellungsprozess im Labor nicht lebensmittelhygienisch genug ist, haben die Forscher noch nicht davon genascht.
Rybtchinski fasst zusammen: "Die Folgestudie, die wir bereits begonnen haben, könnte das kommerzielle Potenzial dieses neuen Materials vorantreiben, da wir das Kochen in Wasser durch Schmelzen ersetzt haben, wie es in der Industrie üblich ist. Das bedeutet, dass wir die biologisch abbaubaren Polymere erwärmen, bis sie flüssig werden, und dann das Tyrosin oder andere geeignete Materialien einmischen. Wenn es uns gelingt, die mit diesem Verfahren verbundenen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen zu meistern, können wir die Möglichkeit einer industriellen Herstellung dieses neuen Verbundkunststoffs prüfen.
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