Innovationen sind dort, wo Sie sie finden. Für Craig Arnold, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Vizedekan für Innovation in Princeton, war seine Inspiration für ein neues Material aus Eiweiß ein Stück Brot in einem Sandwich, das er gerade essen wollte. „Ich saß da und starrte auf das Brot in meinem Sandwich“, sagt Arnold in einem Pressemitteilung von Princeton. „Und ich dachte mir, genau so eine Struktur brauchen wir.“
Also bat er seine Laborgruppe, verschiedene mit Kohlenstoff gemischte Brotrezepte herzustellen, um zu sehen, ob sie die von ihm gesuchte Aerogelstruktur nachbilden könnten. Keiner von ihnen funktionierte anfangs ganz richtig, also entfernte das Team beim Testen immer wieder Zutaten, bis schließlich nur noch Eiweiß übrig blieb. Die Forscher verwendeten dieses Eiweiß, um ein Aerogel herzustellen, ein leichtes und poröses Material, das in vielen Arten von Anwendungen eingesetzt werden kann, darunter Wasserfiltration, Energiespeicherung sowie Schall- und Wärmedämmung.
„Wir begannen mit einem komplexeren System“, sagte Arnold, „und wir reduzierten, reduzierten, reduzierten, bis wir zum Kern dessen gelangten, was es war. Es waren die Proteine im Eiweiß, die zu den Strukturen führten, die wir brauchten.“
Eiweiß ist ein komplexes System aus fast reinem Protein, das – wenn es gefriergetrocknet und dann 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 veröffentlichten Papier Materialien heutezeigten 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 der Zeitung. Ozden ist ein ehemaliger Postdoktorand am Princeton Center for Complex Materials und ist jetzt Wissenschaftler am Aramco Research Center. Während in ersten Tests normales, im Laden gekauftes Eiweiß verwendet wurde, lieferten andere ähnliche, im Handel erhältliche Proteine die gleichen Ergebnisse, sagte Ozden.
„Eier sind cool, weil wir uns alle mit ihnen verbinden können und sie leicht zu bekommen sind, aber Sie sollten vorsichtig sein, wenn Sie mit dem Nahrungskreislauf konkurrieren“, sagte Arnold. Da auch andere Proteine funktionierten, ließe sich das Material potenziell in großen Mengen relativ günstig und ohne Beeinträchtigung der Lebensmittelversorgung herstellen. Ein nächster Schritt für die Forscher, bemerkte 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, denn es ist kostengünstig in der Herstellung, energieeffizient in der Anwendung und hochwirksam. „Aktivkohle ist eines der billigsten Materialien für die Wasserreinigung. Wir haben unsere Ergebnisse mit Aktivkohle verglichen, und es ist viel besser“, sagte Ozden. Im Vergleich zur Umkehrosmose, die für den Betrieb einen erheblichen Energieaufwand und überschüssiges Wasser erfordert, erfordert dieser Filtrationsprozess nur die Schwerkraft und verschwendet kein Wasser. Hier ist die Zusammenfassung der Studie zu Ihrer Erbauung und Unterhaltung:
Die Integration von 2D-Graphit-Kohlenstoff (G) mit 1D-Kohlenstoff-Nanofaser (CF) ermöglicht die Kombination der einzigartigen Eigenschaften von 2D-Graphit-Kohlenstoff mit der geringen Dichte, der mechanischen Leistung und der großen Oberfläche, die für Anwendungen in den Bereichen Energie und Nachhaltigkeit erforderlich sind Landschaft. Durch eine Kombination aus Experimenten und numerischer Modellierung demonstrieren wir die Umwandlung von Standard-Eiweiß (EW)-Proteinen in ein ultraleichtes G-CF-Aerogel mit einer Multiscale-Struktur. Die resultierende kovalent gebundene hierarchische Struktur, die von der komplexen zugrunde liegenden Proteinkonfiguration abgeleitet ist, weist eine Dichte auf, die zwei Größenordnungen niedriger ist als bei bestehenden Materialien nach dem Stand der Technik. Wir wenden dieses Material auf die Herausforderungen der Entsalzung und Wasserreinigung an und zeigen insbesondere, dass das G-CF-Aerogel bestehende Materialien erheblich verbessert, indem es 98,2 % der ionischen Verunreinigungen und 99,9 % der Nano-/Mikroplastik-Kontamination aus Meerwasser auffängt.
Während Arnold die Wasserreinheit als „große große Herausforderung“ ansieht, ist dies nicht die einzige potenzielle Anwendung für dieses Material. Er untersucht auch andere Anwendungen im Zusammenhang mit Energiespeicherung und Isolierung.
Susanna Monti vom Institute for Chemistry of Organometallic Compounds und Valentina Tozzi vom Instituto Nanoscienze und NEST-Scuola Normale Superiore erstellten die theoretischen Simulationen, die die Umwandlung von Eiweißproteinen in das Aerogel enthüllten. Die Forschung wurde teilweise vom Princeton Center for Complex Materials und der US National Science Foundation unterstützt.
Das wegnehmen
Wer weiß, wohin diese Forschung führen kann? Die Entsalzung von Meerwasser könnte für viele Inseln, auf denen sauberes Wasser ein kostbares Gut ist, ein Segen sein. Aber das Potenzial, Mikroplastik aus Meerwasser zu entfernen, ist eine aufregende Aussicht, wenn Sie jemand sind, der die Menge an Kunststoffen, die heute im Meerwasser schweben, reduzieren möchte.
Wir haben keine genauen Angaben darüber, wie viel es kosten würde, einen Kubikmeter Meerwasser mit diesem Verfahren zu entsalzen. Das Erhitzen von Elementen auf 900 °C erfordert offensichtlich viel Energie, und wenn diese Energie aus fossilen Brennstoffen oder Kernenergie stammt, sind das zwei Schritte vorwärts und zwei Schritte zurück. Aber die Forschung ist vielversprechend genug, wir dachten, Sie würden es wissen wollen, und jetzt tun Sie es. Wir werden unsere Augen offen halten, um weitere Informationen zu diesem Prozess zu erhalten, und wenn wir mehr wissen, werden Sie mehr wissen.
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