UD-ingenjörer är de ledande uppfinnarna av ett nytt patent för tillverkning av piezoelektriska enheter, såsom sensorer och ställdon, med hjälp av Nodax, en biologiskt nedbrytbar, biobaserad polymer.
Varje år tillverkas mer än 400 miljoner ton plast, inklusive engångsartiklar som shoppingkassar och dricksmuggar. Eftersom dessa material kan nå miljön utan att försämras under lång tid, letar forskare och företag efter material som erbjuder liknande fysiska egenskaper som konventionell plast, men som snabbt bryts ned biologiskt och inte skadar växter och djur.
En polymer som uppfunnits, designats och syntetiserats kemiskt av Isao Noda, en professor vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid UDs College of Engineering, är ett sådant alternativt material som är biobaserat och biologiskt nedbrytbart. Tack vare ett pågående samarbete med John Rabolt, professorn från Karl W. och Renate Böer i materialvetenskap och teknik, visade sig denna polymer ha förvånansvärt höga piezoelektriska egenskaper, vilket innebär att den kan producera elektricitet när den böjs eller deformeras.
Nu har det UD-baserade forskarteamet tilldelats ett amerikanskt patent för användningen av detta innovativa material för att producera piezoelektriska enheter. Tillsammans med patent som redan beviljats i flera andra länder, banar denna prestation vägen för ett brett spektrum av potentiella tillämpningar och kommersialiseringsmöjligheter.
När han arbetade som industriforskare på Procter &Gamble fick Noda i uppdrag att hitta en ny typ av biologiskt nedbrytbart material för engångsblöjor och förpackningar. Han började titta på en klass av polymerer som kallas polyhydroxialkanoater (PHA), en typ av naturligt förekommande polyester gjord av bakterier och andra mikroorganismer och växter.
Problemet, förklarade Noda, var att de PHA som var kända vid den tiden var för hårda och spröda för att vara användbara i de flesta praktiska tillämpningar.
"Jag gjorde en hel del spektroskopisk karakterisering och insåg att vi borde kunna hitta bakterier som kan modifiera PHAs molekylstruktur på ett speciellt sätt", förklarade Noda med hänvisning till kedjelängden på polymerens alkylsidogrupp.
"Dessa grenar kan vara metyl eller etyl, som inte lätt kan smältas eller bearbetas. Men när du utökar den här grenen till tre kol, dvs propyl, eller ännu längre, kan plötsligt materialet lättare bearbetas och blir ett segt , tuff och användbar polymer."
Denna biologiskt nedbrytbara polymer, med handelsnamnet Nodax, tillverkas idag i industriell skala av Danimer Scientific, ett bioteknikföretag fokuserat på att skapa hållbara alternativa material för att ersätta konventionell plast. UD har också ett pågående partnerskap med Danimer, som stödde de senaste patentansökningarna.
I motsats till hur standardplast tillverkas, tillverkas Nodax i stora tankar av bakterier som använder växtbaserade råvaror. De formulerade Nodax-polymererna köps sedan av andra företag för att tillverka en mängd olika slutanvändningsprodukter, med biologiska nedbrytningshastigheter som liknar den för cellulosa eller matavfall.
"Danimer Scientific har banat väg för kommersiell produktion av naturligt förekommande PHA, och erbjuder förnybara och fullt certifierade biologiskt nedbrytbara och komposterbara material för många olika livsmedelsservice- och förpackningsapplikationer, såsom sugrör, bestick, pappersbeläggningar, kaffekapslar och flexibla filmer", säger Keith A. . Edwards, vice VD för affärsutveckling på Danimer.
Upptäcka nya egenskaper genom grundforskning
Men arbetet slutade inte när Nodax biopolymerer tillverkades i stor skala. Efter att ha hållit ett inbjudet föredrag på UD 2012 träffade Noda sin mångårige kollega Rabolt och bestämde sig för att överföra en del av det material han samlat på sig under åren för att stödja nya vägar inom grundforskning. Noda, som också var Danimer Scientific senior vice president från 2013 till 2019 och fortfarande sitter i dess styrelse, började på UD som en ansluten fakultetsmedlem 2012.
Med insatser ledda av Ph.D. alumner Liang Gong (nu på 3M), Brian Sobieski (nu på FXI), Changhao Liu (nu på A123 systems), och materialvetenskap och ingenjörsforskningsprofessor Bruce Chase, förutom Noda och Rabolt, upptäckte det UD-baserade forskarteamet ännu mer unika egenskaper hos PHA. Detta inkluderade upptäckten att en av materialets former var mycket piezoelektrisk, vilket betyder att den håller en elektrisk laddning efter att en mekanisk kraft applicerats.
"Det var ett fantastiskt samarbete – vi hade kemister, reologer, fysiker, den rätta blandningen av färdigheter för att kunna förstå och göra olika saker med detta unika material," sa Rabolt.
Detta fynd ledde till att UD:s kontor för ekonomisk innovation och partnerskap (OEIP) ansökte om ett patent med hjälp av Nodax som en biologiskt nedbrytbar polymer för att tillverka piezoelektriska enheter 2019; det patentet tillåts och utfärdades tidigare i år, med namngivna uppfinnare inklusive Chase, Noda och Rabolt.
"Det är spännande att se resultaten av detta samarbete mellan University of Delaware och Danimer Scientific, som har potential att utlösa en kedjereaktion av fördelar", säger Julius Korley, biträdande vicepresident för OEIP.
"När företag införlivar Nodax i enheter som är användbara för allmänheten kommer patentersättningar att komma tillbaka till universitetet för att belöna våra uppfinnare och för att främja investeringarna i forskning och innovation, där våra studenter lär sig att bli innovatörer på vägen."
Upptäckten att Nodax har höga piezoelektriska egenskaper betyder att den potentiellt kan användas i sensorer eller ställdon. Nodax skulle också kunna fungera som en möjlig ersättning för polyvinylidenfluorid (PVDF), ett vanligt piezoelektriskt material som är tillverkat av per- och polyfluoroalkylsubstanser (PFAS), en klass av "för evigt kemikalier" som har kopplats till negativa hälsoresultat.
Även om detta material fortfarande befinner sig i ett tidigt utvecklingsstadium, gör Nodas möjligheter till fortsatt arbete, både vad gäller grundforskning och potentiella tillämpningar, spännande. "Vi vill upptäcka ytterligare egenskaper som ännu inte har utforskats, förstå hur man kan göra materialet bättre och anpassa bearbetningen för industriella skalor, och överlag fortsätta göra grundläggande forskning som kommer att hjälpa andra företag med deras framtida tillämpningar", sa han.
"Den roliga delen är att bara kunna prova olika saker över tid - kanske utveckla materialets ferroelektriska eller pyroelektriska kapacitet, saker som det," tillade Rabolt. "Vi är egentligen bara på toppen av isberget med detta nya material."
Danimer har redan arbetat med partners för att producera textilfibrer med Nodax för att ersätta konventionella material som PET och polypropen. Möjligheten att nu expandera till applikationer för piezoelektrisk fiber är en spännande utveckling.
"Framtiden för PHA som en mer perfekt polymer i många applikationer är nu, och Danimer är återigen banbrytande för nya biotekniska lösningar med fantastiska partners som UD", säger Edwards.
Tillhandahålls av University of Delaware
