Яичный белок можно превратить в материал, способный фильтровать микропластик из морской воды

Nov 15, 2023

4 ноября 2022 г.

Джулия Шварц, Принстонский университет

Исследователи из Princeton Engineering нашли способ превратить еду для завтрака в новый материал, который может дешево удалять соль и микропластик из морской воды.

Исследователи использовали яичные белки для создания аэрогеля — легкого и пористого материала, который можно использовать во многих сферах, включая фильтрацию воды, накопление энергии, а также звуко- и теплоизоляцию. Крейг Арнольд, профессор машиностроения и аэрокосмической техники Сьюзен Дод Браун и заместитель декана по инновациям в Принстоне, работает со своей лабораторией над созданием новых материалов, в том числе аэрогелей, для инженерных применений.

Однажды, сидя на собрании преподавателей, ему пришла в голову идея.

«Я сидел там и смотрел на хлеб в своем сэндвиче», - сказал Арнольд. «И я подумал про себя, это именно та структура, которая нам нужна». Поэтому он попросил свою лабораторную группу приготовить различные рецепты хлеба, смешанного с углеродом, чтобы посмотреть, смогут ли они воссоздать структуру аэрогеля, которую он искал. Поначалу ни один из них не работал должным образом, поэтому команда продолжала исключать ингредиенты по мере тестирования, пока в конечном итоге не остались только яичные белки.

«Мы начали с более сложной системы», — сказал Арнольд, — «и мы просто продолжали уменьшать, уменьшать, уменьшать, пока не дошли до сути того, чем она была. Именно белки в яичных белках привели к созданию структур что нам было нужно».

Яичные белки представляют собой сложную систему почти чистого белка, который при сублимационной сушке и нагревании до 900 градусов по Цельсию в среде без кислорода создает структуру из взаимосвязанных нитей углеродных волокон и листов графена. В статье, опубликованной 24 августа в журнале Materials Today, Арнольд и его соавторы показали, что полученный материал может удалять соль и микропластик из морской воды с эффективностью 98% и 99% соответственно.

«Яичные белки работали, даже если их сначала поджарили на плите или взбили», — сказал Сехмус Озден, первый автор статьи. Озден — бывший научный сотрудник Принстонского центра сложных материалов, а сейчас научный сотрудник исследовательского центра Aramco. По словам Оздена, хотя в первоначальных тестах использовались обычные яичные белки, купленные в магазине, другие аналогичные коммерчески доступные белки дали такие же результаты.

«Яйца — это круто, потому что мы все можем к ним подключиться, и их легко достать, но нужно быть осторожным, конкурируя с пищевым циклом», — сказал Арнольд. Поскольку другие белки также работают, этот материал потенциально можно производить в больших количествах относительно дешево и без ущерба для запасов продовольствия. По словам Оздена, следующим шагом для исследователей является усовершенствование процесса изготовления, чтобы его можно было использовать для очистки воды в более крупных масштабах.

Если эту проблему удастся решить, материал будет иметь значительные преимущества, поскольку его производство будет недорогим, энергоэффективным в использовании и высокоэффективным. «Активированный уголь — один из самых дешевых материалов, используемых для очистки воды. Мы сравнили наши результаты с активированным углем, и он намного лучше», — сказал Озден. По сравнению с обратным осмосом, который требует значительных энергозатрат и избытка воды для работы, этот процесс фильтрации требует только силы тяжести и не тратит воду впустую.

Хотя Арнольд рассматривает чистоту воды как «большую задачу», это не единственное потенциальное применение этого материала. Он также изучает другие варианты использования, связанные с накоплением энергии и изоляцией.

В исследовании приняли участие факультеты химической и биологической инженерии, а также наук о Земле в Принстоне и других местах. «Одно дело — сделать что-то в лаборатории, — сказал Арнольд, — и совсем другое — понять, почему и как». Среди сотрудников, которые помогли ответить на вопросы «почему и как», были профессора Родни Пристли и А. Джеймс Линк из химической и биологической инженерии, которые помогли определить механизм трансформации белков яичного белка на молекулярном уровне. Коллеги из Принстона, занимающиеся геологическими науками, помогали в измерениях фильтрации воды.