Varje år genereras 400 miljoner ton plastavfall över hela världen. Mellan 19 och 23 miljoner ton av det plastavfallet tar sig in i akvatiska ekosystem, och resten går ner i marken. Ytterligare 92 miljoner ton tygavfall genereras årligen.

Challa Kumar, professor emeritus i kemi, "trött" på den enorma mängden giftigt avfall som människor ständigt pumpar ut i miljön, kände sig tvungen att göra något. Som kemist innebar att göra något att använda hans expertis för att utveckla nya, hållbara material.

"Alla borde tänka på att ersätta fossilbränslebaserade material med naturliga material var de än kan för att hjälpa vår civilisation att överleva", säger Kumar. "Huset brinner, vi kan inte vänta. Om huset brinner och du börjar gräva en brunn - det kommer inte att fungera. Det är dags att börja hälla vatten på huset."

Kumar har utvecklat två teknologier som använder proteiner respektive tyg för att skapa nya material. UConns Technology Commercialization Services (TCS) har lämnat in provisoriska patent för båda teknologierna.

Inspirerad av naturens förmåga att konstruera en mångfald av funktionella material, utvecklade Kumar och hans team en metod för att producera kontinuerligt inställbara giftfria material.

"Kemi är det enda som står i vägen för oss", säger Kumar. "Om vi ​​förstår proteinkemi kan vi göra proteinmaterial starka som en diamant eller mjuka som en fjäder."

Den första innovationen är en process för att omvandla naturligt förekommande proteiner till plastliknande material. Kumars student, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., arbetade med detta projekt.

Proteiner har "reaktorgrupper" på sina ytor som kan reagera med ämnen som de kommer i kontakt med. Genom att använda sin kunskap om hur dessa grupper fungerar använde Kumar och hans team en kemisk länk för att binda samman proteinmolekyler.

Denna process skapar en dimer - en molekyl som består av två proteiner. Därifrån sammanfogas dimeren med en annan dimer för att skapa tetramer, och så vidare tills den blir en stor 3D-molekyl. Denna 3D-aspekt av tekniken är unik, eftersom de flesta syntetiska polymerer är linjära kedjor.

Denna nya 3D-struktur gör att den nya polymeren kan bete sig som en plast. Precis som proteinerna som det är tillverkat av kan materialet sträckas, ändra form och vikas. Således kan materialet skräddarsys via kemi för en mängd olika applikationer.

Till skillnad från syntetiska polymerer, eftersom Kumars material är tillverkat av proteiner och en biolänkande kemikalie, kan det brytas ned biologiskt, precis som växt- och djurproteiner gör naturligt.

"Naturen bryter ner proteiner genom att slita isär amidbindningarna som finns i dem", säger Kumar. "Den har enzymer för att hantera den sortens kemi. Vi har samma amidbindningar i våra material. Så samma enzymer som arbetar inom biologin borde också arbeta på det här materialet och bryta ned det naturligt."

I labbet fann teamet att materialet bryts ned inom några dagar i sur lösning. Nu undersöker de vad som händer om de gräver ner detta material i marken, vilket är ödet för många post-konsumentplaster.

De har visat att det proteinbaserade materialet kan bilda en mängd olika plastliknande produkter, inklusive lock till kaffekoppar och tunna genomskinliga filmer. Den kan också användas för att tillverka brandsäkra takpannor eller avancerade material som bildörrar, raketkonspetsar eller hjärtklaffar.

Nästa steg för denna teknik är att fortsätta testa deras mekaniska egenskaper, som styrka eller flexibilitet, samt toxicitet.

"Jag tror att vi måste ha social medvetenhet om att vi inte kan släppa ut material i miljön som är giftiga", säger Kumar. "Vi kan bara inte. Vi måste sluta göra det. Och vi kan inte heller använda material som härrör från fossila bränslen."

Kumars andra teknologi använder en liknande princip, men istället för bara proteiner använder den proteiner förstärkta med naturliga fibrer, speciellt bomull.

"Vi skapar mycket textilavfall varje år på grund av den snabbt föränderliga modeindustrin", säger Kumar. "Så varför inte använda det avfallet för att skapa användbara material – omvandla avfall till rikedom."

Precis som de plastliknande proteinmaterialen (kallade "Proteios", härledda från ursprungliga grekiska ord), förväntar Kumar att kompositmaterial gjorda av proteiner och naturliga fibrer kommer att brytas ned biologiskt utan att producera giftigt avfall.

I labbet skapade Kumars tidigare student, doktorand Adekeye Damilola, många föremål med kompositer av proteintyg, som inkluderar små skor, skrivbord, blommor och stolar. Detta material innehåller textilfibrer som fungerar som bindemedlet med proteinerna, snarare än den tvärbindande kemikalie som Kumar använder för den proteinbaserade plasten.

Tvärbindningen ger det nya materialet styrkan att motstå den vikt som skulle läggas på något som en stol eller ett bord. Den naturliga samhörigheten mellan fibrer och proteiner är varför det är så svårt att få bort matfläckar ur kläder. Samma attraktion gör starka proteintygmaterial.

Även om Kumars team hittills bara har arbetat med bomull, förväntar de sig att andra fibermaterial, som hampafibrer eller jute, skulle bete sig på liknande sätt på grund av deras inneboende men vanliga kemiska egenskaper med bomull.

"Proteinet fastnar naturligt på ytan av proteinet", säger Kumar. "Vi använde den förståelsen för att säga" Hej, om det binder så hårt till bomull, varför gör vi inte ett material av det. Och det fungerar, det fungerar fantastiskt."

Tillhandahålls av University of Connecticut