Svake godine u svetu se generiše 400 miliona tona plastičnog otpada. Između 19 i 23 miliona tona tog plastičnog otpada uđe u vodene ekosisteme, a ostatak ide u zemlju. Godišnje se generiše dodatnih 92 miliona tona platnenog otpada.
Čala Kumar, profesor emeritus hemije, koji je „zasitio“ ogromnom količinom toksičnog otpada koji ljudi neprestano upumpavaju u životnu sredinu, osećao se prinuđenim da nešto uradi. Kao hemičar, raditi nešto je značilo korišćenje njegove stručnosti za razvoj novih, održivih materijala.
„Svi treba da razmišljaju o zameni materijala zasnovanih na fosilnim gorivima prirodnim materijalima gde god mogu da pomognu našoj civilizaciji da preživi“, kaže Kumar. „Kuća gori, jedva čekamo. Ako kuća gori i počnete da kopate bunar — to neće uspeti. Vreme je da počnete da sipate vodu po kući.“
Kumar je razvio dve tehnologije koje koriste proteine i tkaninu za kreiranje novih materijala. UConn-ova služba za komercijalizaciju tehnologije (TCS) prijavila je privremene patente za obe tehnologije.
Inspirisani sposobnošću prirode da konstruiše raznovrstan niz funkcionalnih materijala, Kumar i njegov tim razvili su metod za proizvodnju netoksičnih materijala koji se neprekidno mogu podešavati.
„Hemija je jedina stvar koja nam stoji na putu“, kaže Kumar. „Ako razumemo hemiju proteina, možemo napraviti proteinske materijale jake kao dijamant ili meke kao pero.
Prva inovacija je proces transformacije prirodnih proteina u plastične materijale. Na ovom projektu je radio Kumarov student, dr. Ankarao Kalluri ’23.
Proteini na svojim površinama imaju „reaktorske grupe“ koje mogu da reaguju sa supstancama sa kojima dolaze u kontakt. Koristeći svoje znanje o tome kako ove grupe funkcionišu, Kumar i njegov tim su koristili hemijsku vezu za povezivanje proteinskih molekula.
Ovaj proces stvara dimer – molekul sastavljen od dva proteina. Odatle, dimer se spaja sa drugim dimerom da bi se stvorio tetramer, i tako sve dok ne postane veliki 3D molekul. Ovaj 3D aspekt tehnologije je jedinstven, pošto su većina sintetičkih polimera linearni lanci.
Ova nova 3D struktura omogućava novom polimeru da se ponaša kao plastika. Baš kao i proteini od kojih je napravljen, materijal se može rastegnuti, promeniti oblik i savijati. Dakle, materijal se pomoću hemije može prilagoditi za različite specifične primene.
Za razliku od sintetičkih polimera, pošto je Kumarov materijal napravljen od proteina i hemikalije za bio-vezivanje, može se biorazgraditi, baš kao što biljni i životinjski proteini rade prirodno.
„Priroda razgrađuje proteine tako što kida amidne veze koje su u njima“, kaže Kumar. „Poseduje enzime za rukovanje takvom hemijom. Imamo iste amidne veze u našim materijalima. Dakle, isti enzimi koji rade u biologiji takođe treba da rade na ovom materijalu i da ga prirodno razgrađuju.“
U laboratoriji, tim je otkrio da se materijal razgrađuje u roku od nekoliko dana u kiselom rastvoru. Sada istražuju šta će se desiti ako ovaj materijal zakopaju u zemlju, što je sudbina mnogih plastičnih masa nakon potrošnje.
Oni su pokazali da materijal na bazi proteina može formirati različite proizvode slične plastici, uključujući poklopce šoljica za kafu i tanke providne filmove. Takođe bi se mogao koristiti za izradu krovnih pločica otpornih na vatru ili vrhunskih materijala kao što su vrata automobila, vrhovi raketnih konusa ili srčani zalisci.
Sledeći koraci za ovu tehnologiju su nastavak testiranja njihovih mehaničkih svojstava, poput čvrstoće ili fleksibilnosti, kao i toksičnosti.
„Mislim da treba da imamo društvenu svest da ne možemo da izbacimo materijale koji su toksični u okolinu“, kaže Kumar. „Jednostavno ne možemo. Moramo da prestanemo da to radimo. A ne možemo ni da koristimo materijale dobijene od fosilnih goriva.“
Kumarova druga tehnologija koristi sličan princip, ali umesto samo proteina, koristi proteine ojačane prirodnim vlaknima, posebno pamukom.
„Svake godine stvaramo mnogo tekstilnog otpada zbog modne industrije koja se brzo menja“, kaže Kumar. „Pa zašto ne iskoristiti taj otpad za stvaranje korisnih materijala — pretvoriti otpad u bogatstvo.
Baš kao i proteinski materijali nalik plastici (nazvani „Proteios“, izvedeni od originalnih grčkih reči), Kumar očekuje da će se kompozitni materijali napravljeni od proteina i prirodnih vlakana biorazgraditi bez stvaranja toksičnog otpada.
U laboratoriji, Kumarov bivši student, doktorski kandidat Adekeie Damilola, stvorio je mnoge objekte sa kompozitima proteina i tkanine, koji uključuju male cipele, stolove, cveće i stolice. Ovaj materijal sadrži tekstilna vlakna koja služe kao sredstvo za povezivanje sa proteinima, a ne kao hemikalija za unakrsno povezivanje koju Kumar koristi za plastiku na bazi proteina.
Unakrsno povezivanje pruža novom materijalu snagu da izdrži težinu koja bi bila stavljena na nešto poput stolice ili stola. Prirodni afinitet između vlakana i proteina je razlog zašto je tako teško ukloniti mrlje od hrane sa odeće. Ova ista privlačnost čini jake materijale od proteinske tkanine.
Dok je Kumarov tim do sada radio samo sa pamukom, očekuju da će se drugi materijali od vlakana, poput konopljinih vlakana ili jute, ponašati slično zbog svojih inherentnih, ali zajedničkih hemijskih svojstava sa pamukom.
„Protein se prirodno drži na površini proteina“, kaže Kumar. „Iskoristili smo to razumevanje da kažemo ‘Hej, ako se tako čvrsto vezuje za pamuk, zašto ne bismo napravili materijal od njega.’ I radi, radi neverovatno.“
