Fantastisches Plastik: Grün, stark und essbar

Milliarden Tonnen Plastikmüll belasten unsere Welt. Das meiste davon hat sich auf dem Boden und in den Ozeanen angesammelt oder zerfällt in winzige Partikel, das sogenannte Mikroplastik, das die Luft und das Wasser verschmutzt und in die Vegetation sowie in die Blutbahn von Menschen und Tieren eindringt. Das Ausmaß der Gefahr, die von Kunststoffen ausgeht, wächst von Jahr zu Jahr, da sie aus massiven Molekülen, den sogenannten Polymeren, bestehen, die nicht ohne Weiteres biologisch abbaubar sind. Derzeit machen biologisch abbaubare Kunststoffe weniger als ein Fünftel der insgesamt produzierten Kunststoffmenge aus, und die für ihren Abbau erforderlichen Verfahren sind relativ aufwändig.

In einer in ACS Nano veröffentlichten Studie haben Dr. Angelica Niazov-Elkan, Dr. Haim Weissman und Prof. Boris Rybtchinski von der Abteilung für Molekularchemie und Materialwissenschaften am Weizmann Institute of Science einen neuen Verbundkunststoff entwickelt, der sich mithilfe von Bakterien leicht abbauen lässt. Dieses neue Material, das durch die Kombination eines biologisch abbaubaren Polymers mit Kristallen einer biologischen Substanz hergestellt wird, bietet drei große Vorteile: Es ist kostengünstig, einfach herzustellen und sehr stabil. An der Studie waren auch der verstorbene Dr. Eyal Shimoni, Dr. XiaoMeng Sui, Dr. Yishay Feldman und Prof. H. Daniel Wagner beteiligt.

Gegenwärtig setzen viele Industriezweige mit Begeisterung auf Verbundkunststoffe, die durch die Kombination von zwei oder mehr reinen Materialien hergestellt werden und verschiedene vorteilhafte Eigenschaften wie Leichtigkeit und Festigkeit aufweisen. Diese Kunststoffe werden heute zur Herstellung wichtiger Teile einer Vielzahl von Industrieprodukten verwendet, von Flugzeugen und Autos bis hin zu Fahrrädern.

Auf der Suche nach einem Verbundkunststoff, der den Anforderungen der Industrie gerecht wird und gleichzeitig umweltfreundlich ist, beschlossen die Forscher des Weizmann-Instituts, sich auf alltägliche, kostengünstige Ausgangsmaterialien zu konzentrieren, deren Eigenschaften verbessert werden könnten. Sie stellten fest, dass Tyrosinmoleküle – eine weit verbreitete Aminosäure, die außergewöhnlich starke Nanokristalle bildet – als wirksamer Bestandteil eines biologisch abbaubaren Verbundkunststoffs verwendet werden könnten. Nachdem sie untersucht hatten, wie sich Tyrosin mit verschiedenen Arten von Polymeren verbindet, entschieden sie sich für Hydroxyethylcellulose, ein Derivat der Cellulose, das in großem Umfang bei der Herstellung von Medikamenten und Kosmetika verwendet wird.

Hydroxyethylcellulose ist für sich genommen ein schwaches Material, das sich leicht auflöst. Um sie mit Tyrosin zu kombinieren, wurden die beiden Materialien in kochendem Wasser vermischt. Nach dem Abkühlen und Trocknen entstand ein außergewöhnlich starker Verbundkunststoff aus faserartigen Tyrosin-Nanokristallen, die in die Hydroxyethylcellulose hineingewachsen und mit ihr verbunden waren. In einem Experiment, das die Stärke des neuen Kunststoffs demonstrierte, hielt ein 0,04 Millimeter dicker Streifen des Materials einer Belastung von 6 Kilogramm stand. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass das neue Material mehrere andere einzigartige Eigenschaften aufweist, die es für die Industrie noch nützlicher machen. Wenn ein Material verstärkt wird, verliert es normalerweise an Plastizität. Dieser neue Verbundkunststoff ist jedoch nicht nur sehr stark, sondern auch duktiler (verformbarer) als der Kernbestandteil, die Hydroxyethylcellulose. Mit anderen Worten: Durch die Kombination der beiden Materialien wurde eine Synergie geschaffen, die sich in der Entwicklung außergewöhnlicher Eigenschaften manifestiert und folglich ein enormes industrielles Potenzial besitzt.

Da sowohl Zellulose als auch Tyrosin – dessen Kristalle in verschiedenen Hartkäsesorten vorkommen – essbar sind, kann der biologisch abbaubare Verbundkunststoff tatsächlich verzehrt werden. Ist er auch schmackhaft? Das wird sich erst noch herausstellen: Da der Herstellungsprozess im Labor für Lebensmittel nicht hygienisch genug ist, haben die Forscher noch nicht davon gekostet.

Rybtchinski fasst zusammen: ​„Die Folgestudie, die wir bereits begonnen haben, könnte das kommerzielle Potenzial dieses neuen Materials voranbringen, da wir das Kochen in Wasser durch Schmelzen ersetzt haben, wie es in der Industrie üblich ist. Das bedeutet, dass wir die biologisch abbaubaren Polymere erhitzen, bis sie flüssig werden, und dann das Tyrosin oder andere geeignete Materialien einmischen. Wenn es uns gelingt, die mit diesem Verfahren verbundenen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen zu meistern, können wir die Möglichkeit einer industriellen Herstellung dieses neuen Verbundkunststoffs prüfen.

Die Orginalpublikation finden Sie hier.