Eiweiß kann in ein Material umgewandelt werden, das Mikroplastik aus Meerwasser filtern kann

4. November 2022

von Julia Schwarz, Princeton University

Forscher von Princeton Engineering haben einen Weg gefunden, Ihr Frühstücksessen in ein neues Material umzuwandeln, das kostengünstig Salz und Mikroplastik aus Meerwasser entfernen kann.

Die Forscher verwendeten Eiweiß, um ein Aerogel herzustellen, ein leichtes und poröses Material, das für viele Arten von Anwendungen verwendet werden kann, darunter Wasserfiltration, Energiespeicherung sowie Schall- und Wärmedämmung. Craig Arnold, Susan Dod Brown-Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Vizedekan für Innovation in Princeton, arbeitet mit seinem Labor an der Entwicklung neuer Materialien, einschließlich Aerogelen, für technische Anwendungen.

Eines Tages, als er in einer Fakultätssitzung saß, hatte er eine Idee.

„Ich saß da ​​und starrte auf das Brot in meinem Sandwich“, sagte Arnold. „Und ich dachte mir, das ist genau die Art von Struktur, die wir brauchen.“ Deshalb bat er seine Laborgruppe, verschiedene mit Kohlenstoff vermischte Brotrezepte herzustellen, um zu sehen, ob sie die von ihm gesuchte Aerogelstruktur wiederherstellen könnten. Keines davon funktionierte anfangs ganz richtig, also entfernte das Team während der Tests immer wieder Zutaten, bis schließlich nur noch Eiweiß übrig blieb.

„Wir begannen mit einem komplexeren System“, sagte Arnold, „und wir reduzierten, reduzierten, reduzierten, bis wir zum Kern dessen vordrangen, was es war. Es waren die Proteine ​​im Eiweiß, die zu den Strukturen führten.“ das wir brauchten.“

Eiweiß ist ein komplexes System aus nahezu reinem Protein, das – wenn es gefriergetrocknet und in einer Umgebung ohne Sauerstoff auf 900 Grad Celsius erhitzt wird – eine Struktur aus miteinander verbundenen Kohlenstofffasersträngen und Graphenschichten bildet. In einem am 24. August in Materials Today veröffentlichten Artikel zeigten Arnold und seine Co-Autoren, dass das resultierende Material Salz und Mikroplastik mit einer Effizienz von 98 % bzw. 99 % aus Meerwasser entfernen kann.

„Das Eiweiß funktionierte sogar, wenn es zuerst auf dem Herd gebraten oder geschlagen wurde“, sagte Sehmus Ozden, Erstautor des Artikels. Ozden ist ein ehemaliger Postdoktorand am Princeton Center for Complex Materials und jetzt Wissenschaftler am Aramco Research Center. Während in den ersten Tests normales, im Laden gekauftes Eiweiß verwendet wurde, führten andere ähnliche im Handel erhältliche Proteine ​​laut Ozden zu den gleichen Ergebnissen.

„Eier sind cool, weil wir uns alle mit ihnen verbinden können und sie leicht zu bekommen sind, aber man sollte vorsichtig sein, wenn man mit dem Nahrungskreislauf konkurriert“, sagte Arnold. Da auch andere Proteine ​​funktionierten, kann das Material möglicherweise relativ kostengünstig und ohne Auswirkungen auf die Nahrungsmittelversorgung in großen Mengen hergestellt werden. Ein nächster Schritt für die Forscher, so Ozden, besteht darin, den Herstellungsprozess zu verfeinern, damit er in größerem Maßstab zur Wasserreinigung eingesetzt werden kann.

Wenn diese Herausforderung gelöst werden kann, hat das Material erhebliche Vorteile, da es kostengünstig in der Herstellung, energieeffizient im Einsatz und hochwirksam ist. „Aktivkohle ist eines der billigsten Materialien zur Wasserreinigung. Wir haben unsere Ergebnisse mit Aktivkohle verglichen und festgestellt, dass sie viel besser ist“, sagte Ozden. Im Vergleich zur Umkehrosmose, deren Betrieb einen erheblichen Energieaufwand und überschüssiges Wasser erfordert, erfordert dieser Filtrationsprozess nur die Schwerkraft und verschwendet kein Wasser.

Während Arnold die Wasserreinheit als „große große Herausforderung“ ansieht, ist dies nicht die einzige mögliche Anwendung für dieses Material. Er erforscht auch andere Anwendungen im Zusammenhang mit der Energiespeicherung und -isolierung.

Die Forschung umfasste Beiträge der Abteilungen für Chemie- und Biotechnik sowie Geowissenschaften in Princeton und anderswo. „Es ist eine Sache, etwas im Labor herzustellen“, sagte Arnold, „und es ist eine andere Sache, zu verstehen, warum und wie.“ Zu den Mitarbeitern, die bei der Beantwortung der Warum- und Wie-Fragen halfen, gehörten die Professoren Rodney Priestley und A. James Link vom Chemie- und Bioingenieurwesen, die dabei halfen, den Transformationsmechanismus der Eiweißproteine ​​auf molekularer Ebene zu identifizieren. Kollegen aus den Geowissenschaften aus Princeton halfen bei Messungen der Wasserfiltration.

Susanna Monti vom Institut für Chemie metallorganischer Verbindungen und Valentina Tozzi vom Instituto Nanoscienze und der NEST-Scuola Normale Superiore erstellten die theoretischen Simulationen, die die Umwandlung von Eiweißproteinen in das Aerogel aufdeckten.

Mehr Informationen: Sehmus Ozden et al, Aus Eiprotein gewonnenes ultraleichtes hybrides monolithisches Aerogel zur Wasserreinigung, Materials Today (2022). DOI: 10.1016/j.mattod.2022.08.001

Zeitschrifteninformationen:Materialien heute

Zur Verfügung gestellt von der Princeton University