(Nanowerk Nieuws) Onderzoekers van Princeton Engineering hebben een manier gevonden om van je ontbijtvoedsel een nieuw materiaal te maken dat goedkoop zout en microplastics uit zeewater kan verwijderen. De onderzoekers gebruikten eiwit om een ​​aerogel te maken, een lichtgewicht en poreus materiaal dat in veel soorten toepassingen kan worden gebruikt, waaronder waterfiltratie, energieopslag en geluids- en thermische isolatie. Craig Arnold, Susan Dod Brown-hoogleraar Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en vicedecaan innovatie bij Princeton, werkt met zijn laboratorium aan het creëren van nieuwe materialen, waaronder aerogels, voor technische toepassingen. Op een dag, zittend in een faculteitsvergadering, kreeg hij een idee. "Ik zat daar naar het brood in mijn boterham te staren", zei Arnold. "En ik dacht bij mezelf, dit is precies het soort structuur dat we nodig hebben." Dus vroeg hij zijn labgroep om verschillende broodrecepten te maken, gemengd met koolstof, om te zien of ze de aerogelstructuur konden nabootsen waarnaar hij op zoek was. Geen van hen werkte aanvankelijk helemaal goed, dus het team bleef ingrediënten verwijderen terwijl ze testten, totdat uiteindelijk alleen het eiwit overbleef. "We begonnen met een complexer systeem," zei Arnold, "en we bleven maar verminderen, verminderen, verminderen, totdat we tot de kern kwamen van wat het was. Het waren de eiwitten in de eiwitten die leidden tot de structuren die we nodig hadden.” De structuur van de aerogel wordt gevormd door grafeenplaten die over koolstofvezelnetwerken zijn gespannen. (Afbeelding: Shaharyar Wani) Eiwitten zijn een complex systeem van bijna pure eiwitten die - wanneer ze worden gevriesdroogd en verwarmd tot 900 graden Celsius in een omgeving zonder zuurstof - een structuur creëren van onderling verbonden strengen koolstofvezels en vellen van grafeen. In een paper gepubliceerd in Materialen vandaag ("Van ei-eiwit afgeleide ultralichtgewicht hybride monolithische aerogel voor waterzuivering"), toonden Arnold en zijn co-auteurs aan dat het resulterende materiaal zout en microplastics uit zeewater kan verwijderen met respectievelijk 98% en 99% efficiëntie. "De eiwitten werkten zelfs als ze eerst op het fornuis werden gebakken of opgeklopt", zegt Sehmus Ozden, eerste auteur van de krant. Ozden is voormalig postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij het Princeton Centre for Complex Materials en nu wetenschapper bij Aramco Research Center. Terwijl in de eerste tests gewone, in de winkel gekochte eiwitten werden gebruikt, produceerden andere vergelijkbare, in de handel verkrijgbare eiwitten dezelfde resultaten, zei Ozden. "Eieren zijn cool omdat we er allemaal verbinding mee kunnen maken en ze zijn gemakkelijk te krijgen, maar je moet voorzichtig zijn om te concurreren met de voedselcyclus", zei Arnold. Omdat andere eiwitten ook werkten, kan het materiaal in potentie relatief goedkoop en zonder de voedselvoorziening in grote hoeveelheden worden geproduceerd. Een volgende stap voor de onderzoekers, merkte Ozden op, is het verfijnen van het fabricageproces, zodat het op grotere schaal kan worden gebruikt voor waterzuivering. Als deze uitdaging kan worden opgelost, heeft het materiaal aanzienlijke voordelen omdat het goedkoop te produceren, energiezuinig in gebruik en zeer effectief is. “Actieve kool is een van de goedkoopste materialen die gebruikt worden voor waterzuivering. We vergeleken onze resultaten met actieve kool, en het is veel beter”, zegt Ozden. Vergeleken met omgekeerde osmose, waarvoor een aanzienlijke hoeveelheid energie en overtollig water nodig is om te kunnen werken, vereist dit filtratieproces alleen zwaartekracht om te werken en wordt er geen water verspild. Hoewel Arnold waterzuiverheid als een "grote grote uitdaging" ziet, is dat niet de enige mogelijke toepassing voor dit materiaal. Hij onderzoekt ook andere toepassingen met betrekking tot energieopslag en isolatie. Het onderzoek omvatte bijdragen van de afdelingen chemische en biologische engineering en geowetenschappen in Princeton en elders. "Het is één ding om iets in het lab te maken," zei Arnold, "en het is iets anders om te begrijpen waarom en hoe." Medewerkers die hielpen bij het beantwoorden van de waarom- en hoe-vragen waren onder meer professoren Rodney Priestley en A. James Link van chemische en biologische technologie, die hielpen bij het identificeren van het transformatiemechanisme van de eiwiteiwitten op moleculair niveau. Princeton-collega's in de geowetenschappen hielpen met metingen van waterfiltratie. Susanna Monti van het Institute for Chemistry of Organometallic Compounds en Valentina Tozzi van Instituto Nanoscienze en NEST-Scuola Normale Superiore creëerden de theoretische simulaties die de transformatie van eiwiteiwitten in de aerogel onthulden.