Des chercheurs ont créé un système à base de plantes, durable, matériau évolutif qui pourrait remplacer les plastiques à usage unique dans de nombreux produits de consommation.

Les chercheurs, de l'Université de Cambridge, créé un film polymère en imitant les propriétés de la soie d'araignée, l'un des matériaux les plus solides de la nature. Le nouveau matériau est aussi résistant que de nombreux plastiques courants utilisés aujourd'hui et pourrait remplacer le plastique dans de nombreux produits ménagers courants.

Le matériau a été créé en utilisant une nouvelle approche pour assembler des protéines végétales en matériaux qui imitent la soie au niveau moléculaire. La méthode économe en énergie, qui utilise des ingrédients durables, donne un film autoportant de type plastique, qui peut être fabriqué à l'échelle industrielle. Une couleur « structurelle » qui ne se décolore pas peut être ajoutée au polymère, et il peut également être utilisé pour fabriquer des revêtements résistants à l'eau.

Le matériel est compostable à la maison, alors que d'autres types de bioplastiques nécessitent des installations de compostage industriel pour se dégrader. En outre, le matériau développé par Cambridge ne nécessite aucune modification chimique de ses éléments constitutifs naturels, afin qu'il puisse se dégrader en toute sécurité dans la plupart des environnements naturels.

Le nouveau produit sera commercialisé par Xampla, une entreprise dérivée de l'Université de Cambridge qui développe des produits de remplacement pour le plastique et les microplastiques à usage unique. La société lancera une gamme de sachets et de capsules à usage unique plus tard cette année, qui peut remplacer le plastique utilisé dans les produits de tous les jours comme les tablettes pour lave-vaisselle et les capsules de détergent à lessive. Les résultats sont publiés dans le journal Communication Nature .

Pendant de nombreuses années, Le professeur Tuomas Knowles du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge a étudié le comportement des protéines. Une grande partie de ses recherches se sont concentrées sur ce qui se passe lorsque les protéines se replient ou « se comportent mal », et comment cela se rapporte à la santé et aux maladies humaines, principalement la maladie d'Alzheimer.

"Nous étudions normalement comment les interactions protéiques fonctionnelles nous permettent de rester en bonne santé et comment les interactions irrégulières sont impliquées dans la maladie d'Alzheimer, " dit Knowles, qui a dirigé les recherches en cours. « Ce fut une surprise de découvrir que nos recherches pouvaient également aborder un gros problème de durabilité :celui de la pollution plastique. »

Dans le cadre de leurs recherches sur les protéines, Knowles et son groupe se sont intéressés aux raisons pour lesquelles des matériaux comme la soie d'araignée sont si solides alors qu'ils ont des liaisons moléculaires si faibles. "Nous avons découvert que l'une des caractéristiques clés qui donne à la soie d'araignée sa force est que les liaisons hydrogène sont disposées régulièrement dans l'espace et à une densité très élevée, " dit Knowles.

Co-auteur Dr Marc Rodriguez Garcia, un chercheur postdoctoral dans le groupe de Knowles qui est maintenant responsable de la R&D chez Xampla, a commencé à chercher comment reproduire cet auto-assemblage régulier dans d'autres protéines. Les protéines ont une propension à l'auto-organisation moléculaire et à l'auto-assemblage, et les protéines végétales en particulier sont abondantes et peuvent être obtenues de manière durable en tant que sous-produits de l'industrie alimentaire.

« On sait très peu de choses sur l'auto-assemblage des protéines végétales, et c'est passionnant de savoir qu'en comblant ce manque de connaissances, nous pouvons trouver des alternatives aux plastiques à usage unique, " a déclaré la candidate au doctorat Ayaka Kamada, le premier auteur de l'article.

Les chercheurs ont réussi à reproduire les structures trouvées sur la soie d'araignée en utilisant un isolat de protéine de soja, une protéine avec une composition complètement différente. « Parce que toutes les protéines sont constituées de chaînes polypeptidiques, dans les bonnes conditions, nous pouvons provoquer l'auto-assemblage des protéines végétales, tout comme la soie d'araignée, " dit Knowles. " Dans une araignée, la protéine de soie est dissoute dans une solution aqueuse, qui s'assemble ensuite en une fibre extrêmement résistante grâce à un processus de filage qui nécessite très peu d'énergie."

"D'autres chercheurs ont travaillé directement avec des matériaux en soie en remplacement du plastique, mais ils sont toujours un produit animal, " a déclaré Rodriguez Garcia. " D'une certaine manière, nous avons créé de la « soie d'araignée végétalienne », nous avons créé le même matériau sans l'araignée. "

Tout remplacement du plastique nécessite un autre polymère - les deux dans la nature qui existent en abondance sont les polysaccharides et les polypeptides. La cellulose et la nanocellulose sont des polysaccharides et ont été utilisées pour une gamme d'applications, mais nécessitent souvent une certaine forme de réticulation pour former des matériaux solides. Les protéines s'auto-assemblent et peuvent former des matériaux solides comme la soie sans aucune modification chimique, mais ils sont beaucoup plus difficiles à travailler.

Les chercheurs ont utilisé l'isolat de protéine de soja (SPI) comme protéine végétale test, car il est facilement disponible en tant que sous-produit de la production d'huile de soja. Les protéines végétales telles que le SPI sont peu solubles dans l'eau, rendant difficile le contrôle de leur auto-assemblage en structures ordonnées.

La nouvelle technique utilise un mélange écologique d'acide acétique et d'eau, combiné avec les ultrasons et les températures élevées, pour améliorer la solubilité du SPI. Cette méthode produit des structures protéiques avec des interactions intermoléculaires améliorées guidées par la formation de liaisons hydrogène. Dans une deuxième étape, le solvant est éliminé, ce qui donne un film insoluble dans l'eau.

Le matériau a des performances équivalentes aux plastiques techniques hautes performances tels que le polyéthylène basse densité. Sa force réside dans l'arrangement régulier des chaînes polypeptidiques, ce qui signifie qu'il n'y a pas besoin de réticulation chimique, qui est fréquemment utilisé pour améliorer les performances et la résistance des films biopolymères. Les agents de réticulation les plus couramment utilisés sont non durables et peuvent même être toxiques, alors qu'aucun élément toxique n'est requis pour la technique développée par Cambridge.

"C'est l'aboutissement de quelque chose sur lequel nous travaillons depuis plus de dix ans, qui consiste à comprendre comment la nature génère des matériaux à partir de protéines, ", a déclaré Knowles. "Nous n'avons pas cherché à résoudre un problème de durabilité - nous étions motivés par la curiosité de savoir comment créer des matériaux solides à partir d'interactions faibles."

"La percée clé ici est de pouvoir contrôler l'auto-assemblage, ainsi nous pouvons maintenant créer des matériaux de haute performance, " a déclaré Rodriguez Garcia. " C'est excitant de faire partie de ce voyage. Il y a un énorme, énorme problème de pollution plastique dans le monde, et nous avons la chance de pouvoir faire quelque chose à ce sujet."