材料科学全新概念:加入叶绿体新型自愈材料 可吸收大量二氧化碳

2020-10-20 07:56
 
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  麻省理工学院化学工程师设计的一种材料可以与空气中的二氧化碳反应,生长、增强甚至修复自身。这种聚合物有朝一日可能会被用作建筑材料、修补材料或防护涂层,它会不断地将温室气体转化为碳基材料,从而增强自身的强度。


  这种新材料的当前版本是一种合成的凝胶状物质,其化学过程类似于植物将空气中的二氧化碳吸收到生长组织中的方式。例如,这种材料可以制成轻质矩阵板,然后运输到建筑工地,在那里它会因暴露在空气和阳光中而硬化和固化,从而节省能源和运输成本。


  迈克尔斯特拉诺教授、博士后申永国和麻省理工学院以及加州大学河滨分校的其他八个人在《Advanced Materials》杂zhi志上发表了这一发现


  “这在材料科学中是一个全新的概念,”化学工程教授斯特拉诺说。他说,在生物领域之外,“所谓的固碳材料还不存在”。他将这种碳固定材料描述为环境空气中二氧化碳的固体和稳定形式,就像植物一样。


  研究人员指出,开发一种合成材料不仅可以避免在这种材料的生产过程中使用化石燃料,而且实际上消耗了空气中的二氧化碳,对环境和气候有明显的好处。斯特拉诺说:“想象一下,有一种合成材料可以像树一样生长。它可以从二氧化碳中提取碳,并将其整合到材料的骨架中。”


  在这些最初的概念验证实验中,研究小组使用的材料确实使用了一种生物成分,即叶绿体——,这是研究人员从菠菜叶子中获得的。但叶绿体不是活的,而是作为催化剂催化二氧化碳转化为葡萄糖。分离的叶绿体非常不稳定,这意味着它们在离开植物几个小时后就会停止工作。在他们的论wen中,Strano和他的同事展示了各种方法来显著提高叶绿体提取的催化寿命。斯特拉诺解释说,在当前和未来的工作中,叶绿体正在被非生物催化剂所取代。


  研究人员使用的材料是凝胶基质,由氨基丙基甲基丙烯酰胺(APMA)、葡萄糖(一种称为葡萄糖氧化酶的酶)和叶绿体组成,当它与碳结合时会变得更强。研究人员说,它不够硬,不能用作建筑材料,但可以用作裂缝填充或涂层材料。


  该团队已经制定了一种大规模生产这种材料的方法,目前正在努力优化这种材料的性能。他们说,自愈合涂层和裂缝填充等商业应用可以在短时间内实现,但在开发建筑材料和复合材料之前,需要在主要化学和材料科学方面取得额外的进展。斯特拉诺说,这种材料的一个关键优势是,当暴露在阳光下或室内光线下时,它可以自我修复。如果表面被划伤或开裂,受伤区域会不断生长,以填补缝隙,修复损伤,无需任何外力。


  研究人员表示,虽然许多研究人员一直在努力开发能够模仿这种生物机体自愈能力的自愈材料,但这些材料需要一种主动的外力才能发挥作用。热、紫外线、机械应力或化学处理是激活这一自愈过程所必需的。相比之下,这些材料只需要环境光,就可以吸收大气中大量无处不在的碳。


  Kwak说,这种物质起初是液体,他补充说,“看到它开始生长并聚ji成固体形式是令人兴奋的。”


  “材料科学从未产生过这样的东西,”斯特拉诺说。“这些材料模拟生物的某些方面,即使它们不繁殖。”由于这一发现开启了一系列可能的后续研究,美国能源部正在赞助一个由斯特拉诺指导的新项目,以进一步发展这一项目。


  斯特拉诺说:“我们的工作表明,二氧化碳不仅仅是一种负担和成本。在这方面,也是一个机会。碳无处不在。我们用碳来建造世界,人类是由碳构成的。对于材料科学来说,制造一种可以在我们周围获得丰富碳的材料是一个非常重要的机会。这样,我们的工作不仅仅是制造碳中性材料,而是制造负碳材料。


  这项工作得到了美国能源部的支持。该研究团队包括加州大学河滨分校的胡安-帕布鲁-吉拉尔多、特德里克-卢、郝敏-王、刘、杨云荣、沃罗多米尔-科曼、梅丽莎-麦基和麻省理工学院的布拉德利-奥尔森。


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