Исследователи Empa из лаборатории целлюлозных и древесных материалов в настоящее время разработали материал на биологической основе, который умело избегает этого компромисса. Он не только полностью поддается биологическому разложению, но и устойчив к разрывам и обладает универсальными функциональными свойствами. Все это с минимальными этапами обработки и без химикатов - вы даже можете это есть. Его секрет в том, что он живой.

Оптимизирован по своей природе

В качестве основы для своего нового материала исследователи использовали мицелий гриба с раздвоенными жабрами, широко распространенного съедобного гриба, который растет на мертвой древесине. Мицелий - это корнеобразные нитевидные грибковые структуры, которые уже активно исследуются в качестве потенциальных источников материалов. Обычно волокна мицелия, известные как гифы, очищаются и, при необходимости, подвергаются химической обработке, что обеспечивает вышеупомянутый компромисс между производительностью и экологичностью.

Исследователи Empa выбрали другой подход. Вместо того чтобы обрабатывать мицелий, они используют его целиком. По мере роста гриб образует не только гифы, но и так называемый внеклеточный матрикс: сеть различных волокноподобных макромолекул, белков и других биологических веществ, которые выделяют живые клетки. "Гриб использует этот внеклеточный матрикс для придания себе структуры и других функциональных свойств. Почему мы не должны делать то же самое?" - объясняет исследователь Empa Ашутош Синха. "Природа уже разработала оптимизированную систему", - добавляет Густав Нистрем, руководитель лаборатории целлюлозы и древесных материалов.

Проведя небольшую дополнительную оптимизацию, исследователи протянули природе руку помощи. Из огромного генетического разнообразия раздвоенных жабр они выбрали штамм, который продуцирует особенно высокие уровни двух специфических макромолекул: длинноцепочечного полисахарида шизофиллана и мыльноподобного белка гидрофобина. Благодаря своей структуре гидрофобины скапливаются на границе раздела полярных и неполярных жидкостей, например воды и масла. Шизофиллан - это нановолокно: толщиной менее нанометра, но длиной более чем в тысячу раз больше. Вместе эти две биомолекулы придают материалу из живого мицелия свойства, которые делают его пригодным для широкого спектра применений.

Живой эмульгатор

Исследователи продемонстрировали универсальность своего материала в лабораторных условиях. В своем исследовании, которое недавно было опубликовано в журнале Advanced Materials, они продемонстрировали два возможных применения живого материала: пленку, подобную пластику, и эмульсию. Эмульсии - это смеси двух или более жидкостей, которые обычно не смешиваются. Все, что вам нужно сделать, чтобы увидеть пример, - это открыть холодильник: молоко, заправка для салата или майонез - все это эмульсии. И различные косметические средства, краски и лаки также выпускаются в виде эмульсий.

Одна из задач заключается в стабилизации таких смесей таким образом, чтобы они со временем не распадались на отдельные жидкости. Именно здесь живой мицелий проявляет свои сильные стороны: как волокна шизофиллана, так и гидрофобины действуют как эмульгаторы. И гриб продолжает выделять все больше этих молекул. "Это, вероятно, единственный тип эмульсии, который со временем становится более стабильным", - говорит Синха. Как сами грибковые нити, так и их внеклеточные молекулы абсолютно нетоксичны, биологически совместимы и съедобны - гриб с раздвоенными жабрами обычно употребляют в пищу во многих частях мира. "Поэтому его использование в качестве эмульгатора в косметической и пищевой промышленности особенно интересно", - говорит Нистрем.

От мешков для компоста до батареек

Живая грибковая сетка также подходит для применения с классическими материалами. Во втором эксперименте исследователи изготовили из мицелия тонкие пленки. Внеклеточный матрикс с его длинными волокнами шизофиллана придает материалу очень хорошую прочность на растяжение, которая может быть дополнительно повышена за счет целенаправленного выравнивания грибковых и полисахаридных волокон внутри него.

"Мы сочетаем проверенные методы обработки материалов на основе волокон с развивающейся областью живых материалов", - объясняет Нистрем. Синха добавляет: "Наш мицелий - это, так сказать, живой волокнистый композит". Исследователи могут контролировать свойства грибкового материала, изменяя условия, в которых растет гриб. Было бы также возможно использовать другие штаммы или виды грибов, которые продуцируют другие функциональные макромолекулы.

Работа с живым материалом также сопряжена с определенными трудностями. "Биоразлагаемые материалы всегда реагируют на окружающую среду", - говорит Нистрем. "Мы хотим найти приложения, в которых это взаимодействие является не помехой, а, возможно, даже преимуществом". Однако его способность к биологическому разложению - это только часть истории мицелия. Это также средство для биологического разложения: грибы с расщепленными жабрами могут активно разлагать древесину и другие растительные материалы. Синха видит здесь еще одно потенциальное применение: "Вместо компостируемых пластиковых пакетов его можно было бы использовать для изготовления пакетов, которые сами компостируют органические отходы", - говорит исследователь.

Существуют также многообещающие области применения мицелия в области экологически чистой электроники. Например, грибковый материал проявляет обратимую реакцию на влагу и может быть использован для изготовления биоразлагаемых датчиков влажности. Другое приложение, над которым в настоящее время работает команда Нистрема, объединяет живой материал с двумя другими исследовательскими проектами лаборатории целлюлозных и древесных материалов: грибковой биобатареей и бумажной батареей. "Мы хотим создать компактную, биоразлагаемую батарею, электроды которой состоят из живой "грибковой бумаги"", - говорит Синха.