Дослідники розробляють біорозкладну рослинну упаковку з природних волокон Нові дослідження

(MENAFN- The Conversation) Жі Ву, студентка інженерії, вивчала вид яскраво-білого жука, що зустрічається в Південно-Східній Азії, і намагалася зрозуміти, як імітувати його блискучий колір, коли несподіване відкриття змінило хід експерименту.

Жі і я сподівалися визначити природні відбілювальні пігменти, які можна використовувати у папері та фарбах. Білий екзоскелет жука складається з сполуки під назвою хитин, яка є видом вуглеводу — такого ж, що часто зустрічається у раковинах крабів і лобстерів.

Спочатку Жі витягла нановолокна хитину з раковин крабів, отриманих із харчових відходів, які хімічно однакові з тими, що у білому жуці. Але замість створення білого матеріалу, як планувалося, Жі отримала щільні, прозорі плівки. Нановолокна краще збиралися у щільно упаковані плівки, ніж у пористі структури, яких вона прагнула.

За випадковим бажанням Жі виміряла швидкість проходження кисню через плівку. Результат був приголомшливим: бар’єр пропускав менше кисню, ніж багато існуючих пакувальних пластиків.

Це випадкове відкриття у 2014 році змінило фокус моєї команди студентів інженерії з кольору на пакування. Ми запитали себе, чи можуть природні матеріали конкурувати з характеристиками звичайних пластиків. З тих пір наша команда використовує це відкриття для створення біорозкладних плівок, які є більш сталим і ефективним альтернативою пластиковому пакуванню.

Виклики пластикового пакування

Пластикове пакування широко використовується для захисту їжі, фармацевтичних та косметичних продуктів. Ці пластики захищають від вологи та кисню, щоб продукти залишалися свіжими і безпечними.

Більшість упаковок має кілька шарів, які разом запобігають проникненню повітря, але ці шари ускладнюють повторне використання та переробку. В результаті більшість такого пластикового бар’єрного пакування викидається на сміттєзвалища як одноразовий матеріал.

Багато дослідників шукають альтернативи, що є відновлюваними, біорозкладними або перероблюваними, але водночас так само ефективними. У Технологічному інституті Джорджії моя команда студентів і постдоків понад десять років займається цією проблемою. Все почалося з того ж жука.

Створення кращого бар’єра

Хитин широко доступний у харчових відходах і грибах, його використовують у водяних фільтрах і пов’язках для ран. Однак наші ранні спроби масштабувати технологію плівки на основі експерименту, натхненного жуком, зазнали невдачі.

У 2018 році команда зробила важливий крок уперед, використовуючи розпилювальне покриття для створення шарів хитину і целюлози. Целюлоза, як і хитин, є вуглеводним полімером — ланцюгом повторюваних вуглеводних одиниць — і отримується з рослин. Ці природні матеріали мають протилежні електричні заряди, що забезпечує кращу бар’єрну здатність при їх поєднанні, ніж окремо.

У цьому підході команда розпилювала шар хитину, потім — шар целюлози. Протилежні заряди між хитином і целюлозою створювали довготривалу взаємодію, яка з’єднувала шари і формувала щільний інтерфейс.

Пізніше, у співпраці з Мейшею Шофнер, дослідницею з матеріалознавства, та Текілою Харріс, інженером-механіком, інші студенти показали, що ці покриття можна наносити за допомогою масштабованих технологій рулон-до-рулон. Методи рулон-до-рулон широко використовуються в промисловості, оскільки покриття наносяться безперервно на великі рулони матеріалу, наприклад паперу або біорозкладних пластиків.

Однак вологість залишалася серйозною проблемою, обмежуючи реальні застосування. Волога спричиняла набухання плівки, що дозволяло більшій кількості кисню проникати.

Наступним проривом стала 2024 рік, коли ще один співробітник, Наталі Стінгелін, і я виявили, що два поширені харчові компоненти протистоять водяній парі при їх поєднанні: карбоксіметилцелюлоза — наприклад, у морозиві — і лимонна кислота.

Результатом стала плівка, яка перешкоджала передачі вологи. Лимонна кислота реагувала з целюлозою, утворюючи перехресні зв’язки — хімічні з’єднання, що з’єднують молекули целюлози. Після з’єднання вони зменшували поглинання вологи плівкою.

Ми поєднали це нове відкриття з попередніми роботами, змішуючи лимонну кислоту і целюлозу, а потім формуючи цю суміш у самостійно стоячу плівку, наносячи її на підкладку, наприклад хитин.

Однак ця формула не мала сильних бар’єрних властивостей щодо кисню, оскільки не містила висококристалічних наноматеріалів целюлози з нашого першого дослідження. Останнє досягнення нашої команди, з жовтня 2025 року, поєднує ці інновації. В результаті ми створили біорозкладну плівку, яка є відмінним бар’єром як для кисню, так і для вологи.

Масштабування виробництва

При формуванні у тонкі плівки ці компоненти самостійно організовуються у щільну структуру, яка протистоїть набуханню водяною парою. Тести показали, що навіть за 80% вологості плівка відповідала або перевищувала характеристики звичайних пакувальних пластиків.

Ці матеріали є відновлюваними, біорозкладними і компостованими. Наша команда подала кілька патентних заявок і співпрацює з промисловими партнерами для розробки конкретних застосувань у пакуванні.

Однією з проблем є обмежена кількість біорозкладних компонентів у порівнянні з високим обсягом традиційних пластиків. Як і будь-який новий матеріал, виробникам знадобиться час для налагодження ланцюгів постачання, коли плівки почнуть використовуватися.

Наприклад, попит на очищений хитин наразі невеликий, оскільки він використовується у вузьких сферах, таких як пов’язки для ран і водяні фільтри. Завдяки різноманітності застосувань, пакування може збільшити цей попит.

Наступним викликом є масштабування від експериментальних плівок до промислового виробництва, що, ймовірно, займе кілька років. Команда досліджує технології рулон-до-рулон і співпрацює з промисловими партнерами для інтеграції цих матеріалів у існуючі лінії пакування.

Політика та споживчий попит також відіграють роль. Уряди прагнуть заборонити одноразовий пластик, а компанії ставлять цілі щодо сталого розвитку, тому біорозкладні плівки можуть стати частиною рішення.

Ця історія про прорив нагадує, що наука часто рухається вперед завдяки несподіваним результатам. Від невдалої спроби імітувати колір жуків до перспективної альтернативи пластику — цей дослід показує, як допитливість може привести до рішень одних із найбільших викликів сучасності.