Ett material designat av MIT kemiingenjörer kan reagera med koldioxid från luften, att växa, stärka, och till och med reparera sig själv. Polymeren, som en dag kan användas som bygg- eller reparationsmaterial eller för skyddande beläggningar, omvandlar kontinuerligt växthusgasen till ett kolbaserat material som förstärker sig självt.

Den nuvarande versionen av det nya materialet är en syntetisk gelliknande substans som utför en kemisk process som liknar hur växter införlivar koldioxid från luften i sina växande vävnader. Materialet kan, till exempel, göras till paneler av en lätt matris som kan fraktas till en byggarbetsplats, där de skulle härda och stelna bara från exponering för luft och solljus, vilket sparar energi och transportkostnader.

Fyndet beskrivs i en artikel i tidskriften Avancerade material , av professor Michael Strano, postdoc Seon-Yeong Kwak, och åtta andra vid MIT och vid University of California vid Riverside

"Detta är ett helt nytt koncept inom materialvetenskap, säger Strano, Carbon C. Dubbs professor i kemiteknik. "Det vi kallar kolfixerande material existerar inte än idag" utanför det biologiska området, han säger, beskriver material som kan omvandla koldioxid i den omgivande luften till ett fast ämne, stabil form, använder bara kraften av solljus, precis som växter gör.

Att utveckla ett syntetiskt material som inte bara undviker användningen av fossila bränslen för dess skapande, men faktiskt förbrukar koldioxid från luften, har uppenbara fördelar för miljön och klimatet, påpekar forskarna. "Föreställ dig ett syntetiskt material som kan växa som träd, tar kolet från koldioxiden och införlivar det i materialets ryggrad, " säger Strano.

Materialet som teamet använde i dessa initiala proof-of-concept-experiment använde sig av en biologisk komponent - kloroplaster, de ljusutnyttjande komponenterna i växtceller, som forskarna fått från spenatblad. Kloroplasterna är inte levande men katalyserar reaktionen mellan koldioxid och glukos. Isolerade kloroplaster är ganska instabila, vilket innebär att de tenderar att sluta fungera efter några timmar när de tas bort från växten. I deras tidning, Strano och hans medarbetare visar metoder för att avsevärt öka den katalytiska livslängden för extraherade kloroplaster. I pågående och framtida arbete, kloroplasten ersätts av katalysatorer som är av icke-biologiskt ursprung, Strano förklarar.

Materialet forskarna använde, en gelmatris som består av en polymer gjord av aminopropylmetakrylamid (APMA) och glukos, ett enzym som kallas glukosoxidas, och kloroplasterna, blir starkare när det innehåller kolet. Det är ännu inte tillräckligt starkt för att användas som byggmaterial, även om det kan fungera som ett sprickfyllnings- eller beläggningsmaterial, säger forskarna.

Teamet har utarbetat metoder för att producera material av denna typ i ton, och fokuserar nu på att optimera materialets egenskaper. Kommersiella applikationer som självläkande beläggningar och sprickfyllning kan realiseras på kort sikt, de säger, Ytterligare framsteg inom ryggradskemi och materialvetenskap krävs innan konstruktionsmaterial och kompositer kan utvecklas.

En viktig fördel med sådana material är att de skulle vara självreparerande vid exponering för solljus eller någon inomhusbelysning, säger Strano. Om ytan är repad eller sprucken, det drabbade området växer för att fylla i luckorna och reparera skadan, utan att kräva någon extern åtgärd.

Även om det har gjorts omfattande ansträngningar för att utveckla självläkande material som kan efterlikna denna förmåga hos biologiska organismer, forskarna säger, dessa har alla krävt en aktiv extern ingång för att fungera. Uppvärmning, UV ljus, mekanisk stress, eller kemisk behandling behövdes för att aktivera processen. Däremot dessa material behöver inget annat än omgivande ljus, och de innehåller massa från kol i atmosfären, som är allestädes närvarande.

Materialet börjar som en vätska, Kwak säger, lägga till, "det är spännande att se det när det börjar växa och samlas" till en fast form.

"Materialvetenskap har aldrig producerat något liknande, " säger Strano. "Dessa material efterliknar vissa aspekter av något levande, även om det inte reproducerar sig." Eftersom fyndet öppnar upp ett brett spektrum av möjlig uppföljningsforskning, US Department of Energy sponsrar ett nytt program riktat av Strano för att utveckla det ytterligare.

"Vårt arbete visar att koldioxid inte bara behöver vara en börda och en kostnad, ", säger Strano. "Det är också en möjlighet i detta avseende. Det finns kol överallt. Vi bygger världen med kol. Människor är gjorda av kol. Att tillverka ett material som kan komma åt det rikliga kolet runt omkring oss är en betydande möjlighet för materialvetenskap. På det här sättet, vårt arbete handlar om att göra material som inte bara är koldioxidneutrala, men kolnegativ."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.