Chaque année, 400 millions de tonnes de déchets plastiques sont générées dans le monde. Entre 19 et 23 millions de tonnes de ces déchets plastiques se retrouvent dans les écosystèmes aquatiques et le reste se retrouve dans le sol. 92 millions de tonnes supplémentaires de déchets de tissus sont générées chaque année.

Challa Kumar, professeur émérite de chimie, « marre » de l'énorme quantité de déchets toxiques que les gens rejettent continuellement dans l'environnement, s'est sentie obligée de faire quelque chose. En tant que chimiste, faire quelque chose signifiait utiliser son expertise pour développer de nouveaux matériaux durables.

"Tout le monde devrait penser à remplacer les matériaux à base de combustibles fossiles par des matériaux naturels partout où cela est possible pour aider notre civilisation à survivre", déclare Kumar. "La maison est en feu, nous ne pouvons pas attendre. Si la maison est en feu et que vous commencez à creuser un puits, cela ne fonctionnera pas. Il est temps de commencer à verser de l'eau sur la maison."

Kumar a développé deux technologies qui utilisent respectivement des protéines et du tissu pour créer de nouveaux matériaux. Les services de commercialisation technologique (TCS) d'UConn ont déposé des brevets provisoires pour les deux technologies.

Inspirés par la capacité de la nature à construire une gamme diversifiée de matériaux fonctionnels, Kumar et son équipe ont développé une méthode pour produire des matériaux non toxiques réglables en continu.

"La chimie est la seule chose qui nous fait obstacle", dit Kumar. "Si nous comprenons la chimie des protéines, nous pouvons fabriquer des matériaux protéiques aussi solides qu'un diamant ou aussi doux qu'une plume."

La première innovation est un processus permettant de transformer les protéines naturelles en matériaux semblables au plastique. L'étudiant de Kumar, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., a travaillé sur ce projet.

Les protéines ont des « groupes réacteurs » à leur surface qui peuvent réagir avec les substances avec lesquelles elles entrent en contact. Grâce à sa connaissance du fonctionnement de ces groupes, Kumar et son équipe ont utilisé un lien chimique pour lier les molécules de protéines entre elles.

Ce processus crée un dimère, une molécule composée de deux protéines. À partir de là, le dimère est joint à un autre dimère pour créer un tétramère, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'il devienne une grosse molécule 3D. Cet aspect 3D de la technologie est unique, puisque la plupart des polymères synthétiques sont des chaînes linéaires.

Cette nouvelle structure 3D permet au nouveau polymère de se comporter comme un plastique. Tout comme les protéines qui le composent, le matériau peut s’étirer, changer de forme et se plier. Ainsi, le matériau peut être adapté via la chimie pour une variété d'applications spécifiques.

Contrairement aux polymères synthétiques, le matériau de Kumar étant composé de protéines et d'un produit chimique de liaison biologique, il peut se biodégrader, tout comme le font naturellement les protéines végétales et animales.

"La nature dégrade les protéines en déchirant les liaisons amide qui s'y trouvent", explique Kumar. "Il contient des enzymes pour gérer ce genre de chimie. Nous avons les mêmes liaisons amide dans nos matériaux. Ainsi, les mêmes enzymes qui fonctionnent en biologie devraient également travailler sur ce matériau et le biodégrader naturellement."

En laboratoire, l’équipe a constaté que le matériau se dégrade en quelques jours dans une solution acide. Aujourd'hui, ils étudient ce qui se passe s'ils enfouissent ce matériau dans le sol, ce qui est le sort de nombreux plastiques post-consommation.

Ils ont démontré que le matériau à base de protéines peut former une variété de produits semblables au plastique, notamment des couvercles de tasses à café et de minces films transparents. Il pourrait également être utilisé pour fabriquer des tuiles résistantes au feu ou des matériaux haut de gamme comme des portes de voiture, des pointes de cônes de fusée ou des valves cardiaques.

Les prochaines étapes de cette technologie consistent à continuer à tester leurs propriétés mécaniques, comme la résistance ou la flexibilité, ainsi que leur toxicité.

"Je pense que nous devons avoir une conscience sociale du fait que nous ne pouvons pas rejeter dans l'environnement des matériaux toxiques", déclare Kumar. "Nous ne pouvons tout simplement pas. Nous devons arrêter de faire cela. Et nous ne pouvons pas non plus utiliser des matériaux dérivés des combustibles fossiles."

La deuxième technologie de Kumar utilise un principe similaire, mais au lieu de simplement des protéines, elle utilise des protéines renforcées par des fibres naturelles, en particulier du coton.

"Nous créons chaque année beaucoup de déchets textiles en raison de l'évolution rapide du secteur de la mode", explique Kumar. "Alors pourquoi ne pas utiliser ces déchets pour créer des matériaux utiles :convertir les déchets en richesse."

Tout comme les matériaux protéiques de type plastique (appelés « Proteios », dérivés de mots grecs originaux), Kumar s'attend à ce que les matériaux composites fabriqués à partir de protéines et de fibres naturelles se biodégradent sans produire de déchets toxiques.

Dans le laboratoire, l'ancien étudiant de Kumar, le doctorant Adekeye Damilola, a créé de nombreux objets avec des composites protéines-tissus, notamment de petites chaussures, des bureaux, des fleurs et des chaises. Ce matériau contient des fibres textiles qui servent d'agent de liaison avec les protéines, plutôt que le produit chimique de réticulation que Kumar utilise pour les plastiques à base de protéines.

La réticulation confère au nouveau matériau la résistance nécessaire pour résister au poids qui serait exercé sur quelque chose comme une chaise ou une table. L'affinité naturelle entre les fibres et les protéines explique pourquoi il est si difficile d'éliminer les taches de nourriture sur les vêtements. Cette même attraction crée des matériaux protéiques solides.

Même si l'équipe de Kumar n'a travaillé jusqu'à présent qu'avec du coton, elle s'attend à ce que d'autres matériaux fibreux, comme les fibres de chanvre ou de jute, se comportent de la même manière en raison de leurs propriétés chimiques inhérentes mais communes à celles du coton.

"La protéine adhère naturellement à la surface de la protéine", explique Kumar. "Nous avons utilisé cette compréhension pour dire" Hé, s'il se lie si étroitement au coton, pourquoi n'en faisons-nous pas un matériau. Et ça marche, ça marche à merveille."

Fourni par l'Université du Connecticut