Ученые нашли способ превращать отходы от добычи креветок в прочный природный пластик

Новое исследование, проведенное Институтом биоинженерии Каталонии (IBEC), представило первый биоматериал, который не только водонепроницаем, но и становится прочнее при контакте с водой. Материал получен путем включения никеля в структуру хитозана, хитинового полимера, получаемого из отходов панцирей креветок. Разработка этого нового биоматериала знаменует собой отход от подхода эпохи пластика, предполагавшего создание материалов, которые должны изолироваться от окружающей среды для обеспечения хороших характеристик. Вместо этого, исследование показывает, как экологически чистые материалы могут взаимодействовать с окружающей средой и использовать ее ресурсы, применяя окружающую воду для достижения механических характеристик, превосходящих обычные пластмассы.

Пластмассы стали неотъемлемой частью современного общества благодаря своей прочности и водостойкости. Однако именно эти свойства превращают их в постоянных нарушителей экологических циклов. В результате непереработанный пластик накапливается в экосистемах и становится все более распространенным компонентом глобальных пищевых цепей, вызывая растущую обеспокоенность по поводу потенциального воздействия на здоровье человека.

В попытке решить эту проблему уже давно изучается возможность использования биоматериалов в качестве заменителей традиционных пластмасс. Однако их широкое внедрение ограничено фундаментальным недостатком: большинство биологических материалов ослабевают при воздействии воды. Традиционно эта уязвимость вынуждала инженеров полагаться на химические модификации или защитные покрытия, тем самым подрывая преимущества решений на основе биоматериалов с точки зрения устойчивого развития.

Недавнее исследование, проведенное Институтом биоинженерии Каталонии (IBEC) в сотрудничестве с Сингапурским университетом технологий и дизайна (SUTD), опровергло эту парадигму. Вдохновленные кутикулой членистоногих, исследователи адаптировали хитозан — вторую по распространенности органическую молекулу на Земле после целлюлозы — для создания биоинтегрированного материала, который устойчив к гидратации и при намокании приобретает прочность, значительно превышающую прочность обычных пластмасс.

Метод, опубликованный в журнале Nature Communications , демонстрирует потенциал для кардинального изменения парадигмы в производстве, позволяющего создавать безотходные изделия как из расходных материалов, так и из крупных предметов, способные удовлетворить мировой спрос на пластик.

Важно отметить, что этот процесс не изменяет биологические свойства хитозана.

«В глазах природы этот материал по-прежнему биологически чист; он остается по сути той же молекулой, что и в панцирях насекомых или грибах», — объясняет Хавьер Г. Фернандес, научный сотрудник ICREA в IBEC, руководитель группы биоинтегрированных материалов и инженерии и лидер исследования. Эта чистота позволяет беспрепятственно интегрировать его в естественные экологические циклы.

Смена парадигмы, вдохновленная природой

По словам Фернандеса, большинство современных материалов, от пластмасс до биополимеров, разработаны таким образом, чтобы выдерживать воздействие окружающей среды.

«Более века мы считали, что для выживания в природе материалы должны стать инертными, — говорит он. — Это исследование показывает обратное: материалы могут процветать, взаимодействуя с окружающей средой, а не изолируясь от нее».

Исследование было вдохновлено случайным наблюдением: когда из клыков песчаного червя Nereis virens удаляют цинк, клыки становятся восприимчивыми к увлажнению и размягчаются при погружении в воду. Это открытие предполагает, что металлы могут играть ключевую роль в том, как природные материалы взаимодействуют с водой.

Хотя известно, что металлы укрепляют биологические структуры, исследователи предположили, что они также могут контролировать гидратацию материалов на основе хитина — природного полимера, содержащегося в панцирях ракообразных. Для проверки этой теории команда сосредоточилась на никеле, природном микроэлементе, который легко взаимодействует с хитином и растворяется в воде.

Исследовательская группа включила никель в хитозан — материал, полученный из хитина, который извлекается из отходов креветочных панцирей, — и переработала его в тонкие пленки. Они сообщают, что материал становится прочнее при погружении в воду, демонстрируя увеличение прочности до 50% после погружения.

В новом материале вода становится активным структурным компонентом. Динамическая сеть слабых, обратимых связей постоянно разрывается и восстанавливается благодаря подвижности ионов никеля и окружающих молекул воды. Эта постоянная микроскопическая перестройка позволяет материалу поглощать напряжение и реорганизовываться, имитируя поведение природных биологических структур.

Фернандес: «Это материал, который, будучи „мягким“ на молекулярном уровне, на самом деле становится прочнее».

Безотходное производство и глобальная масштабируемость

Исследование также демонстрирует безотходный производственный процесс. Во время первоначального погружения материала в воду большая часть никеля, не участвующего в образовании структурных связей, высвобождается. Вместо того чтобы выбрасывать эту смесь, команда разработала цикл, в котором она становится исходным материалом для производства следующей партии материала, достигнув 100% эффективности использования никеля.

Такой подход позволяет полностью извлекать и повторно использовать никель, что значительно снижает воздействие на окружающую среду и затраты.

Масштабирование также представляется перспективным. Авторы демонстрируют, что хитиновые полимеры производятся в природе в огромных масштабах, что делает их идеальными кандидатами для будущего устойчивого производства.

«Ежегодно в мире производится около ста миллиардов тонн хитина, что эквивалентно объему производства пластика за три столетия», — заявляет Акшаякумар Компа, научный сотрудник группы Фернандеса и первый автор исследования.

Кроме того, хитозан можно производить на местном уровне, а не полагаться на единый глобальный источник. Хотя панцири креветок остаются основным промышленным источником, хитозан также можно получать путем биоконверсии органических отходов , начиная от городских пищевых отходов и заканчивая побочными продуктами жизнедеятельности грибов.

«Ключевой момент — это адаптация к местным источникам», — говорит Компа. «Наша цель — интегрировать производство этих материалов в местную экосистему, используя любую доступную поблизости форму хитозана».

Перспективная альтернатива пластику

Ожидается, что первые области применения появятся в сельском хозяйстве, рыболовных снастях и упаковке, а также в других сферах, связанных с водой, где существует острая необходимость в биоразлагаемых, водостойких материалах.

Хотя команда уделила приоритетное внимание масштабируемости и стоимости промышленного производства, первоначально сосредоточившись на применении в сельском хозяйстве, никель и хитозан по отдельности одобрены FDA для определенных медицинских целей. Следовательно, полученные результаты могут также открыть путь для применения в медицинской сфере, включая водонепроницаемые покрытия для биоматериалов.

Кроме того, способность материала образовывать водонепроницаемые контейнеры, продемонстрированная в исследовании на примере стаканчиков и больших листов, подчеркивает его потенциал в качестве замены некоторых видов одноразового пластика.

Авторы подчеркивают, что никель, вероятно, не единственная молекула, способная вызывать это явление. Теперь, когда принцип понят, другие комбинации могут расширить возможности упрочнения биоматериалов с помощью воды.

«Это первое исследование. Теперь, когда мы знаем о существовании этого эффекта, мы и другие можем искать новые материалы и новые способы его достижения», — отмечает Фернандес.

Это открытие отражает сдвиг в мышлении, отход от эпохи пластика. Вместо того чтобы заставлять биологические молекулы вести себя как синтетические, команда IBEC принимает логику природных систем: динамические структуры, региональное производство, экологическая интеграция и безотходное производство.

Для Компы и Фернандеса посыл ясен: чтобы построить устойчивое будущее, мы должны разрабатывать материалы, которые взаимодействуют с окружающей средой, а не изолируют ее.

Источник: https://phys.org/news/2026-02-chitosan-nickel-biomaterial-stronger-plastics.html