Новый биоматериал из панциря креветок становится прочнее в воде

Традиционные пластмассы прочны и водонепроницаемы, но именно эти свойства превращают их в серьезную экологическую проблему. Непереработанный пластик накапливается в природе, нарушает биологические циклы и постепенно попадает в пищевые цепи. В качестве альтернативы рассматриваются биоматериалы, однако большинство из них теряет прочность при контакте с водой, что серьёзно ограничивает их применение.

Команда Института биоинженерии Каталонии и Сингапурского университета технологий и дизайна разработала новый материал, решающий эти проблемы. Исследование началось с наблюдения: когда из клыков песчаного червя Nereis virens удаляли цинк, они становились уязвимыми к влаге и размягчались в воде. Это навело учёных на мысль, что металлы могут не только укреплять биологические структуры, но и регулировать гидратацию материалов на основе хитина. Для проверки этой гипотезы команда сосредоточилась на никеле — природном микроэлементе, который легко связывается с хитином и растворяется в воде.

Учёные включили никель в хитозан — производное хитина, получаемое из отходов креветочных панцирей — и сформировали из него тонкие пленки. Прочность материала при контакте с водой увеличивалась на 50%. Это объясняется тем, что вода в новой структуре становится активным компонентом. Динамическая сеть слабых и обратимых связей постоянно разрывается и восстанавливается благодаря подвижности ионов никеля и молекул воды. Такая микроскопическая перестройка позволяет материалу поглощать напряжение и реорганизовываться, имитируя поведение природных биологических структур.

Процесс производства полностью безотходный: лишний никель, не вовлеченный в структуру, собирается и используется повторно для следующей партии. Хитиновые полимеры широко распространены в природе и могут извлекаться как из панцирей креветок, так и из органических отходов.

Ожидается, что материал будет применяться в сельском хозяйстве, рыболовстве, упаковке и других областях, где требуется биоразлагаемая, водостойкая продукция. Никель и хитозан уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США для определенных медицинских целей.

Учёные отмечают, что никель не единственный элемент, который может усиливать биоматериалы в воде. Это открытие создаёт возможности для новых комбинаций и расширяет потенциал устойчивого производства.