Onderzoekers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hebben BioPykrete ontwikkeld, een moderne variant van het tijdens de Tweede Wereldoorlog bedachte Pykrete. Door cellulose-nanokristallen en het eiwit CBM3a-AFPIII aan ijs toe te voegen, is een materiaal gecreëerd dat tien keer sterker is dan gewoon ijs en tot 70 keer meer energie kan absorberen voordat het breekt.
De belangrijkste kenmerken en doelstellingen zijn:
- Duurzaamheid: Het materiaal is biologisch afbreekbaar en heeft een lage CO2-voetafdruk omdat het geen beton of staal vereist.
- Toepassing: Het is specifiek bedoeld voor bouwprojecten in afgelegen, koude gebieden zoals het Arctisch en Antarctisch gebied.
- Technische werking: Het eiwit fungeert als lijm die de nanokristallen en het ijs bindt, waardoor scheuren minder snel verspreiden en het materiaal geleidelijk vervormt in plaats van versplintert.
Hoewel de huidige studie een 'proof-of-concept' is, hopen de onderzoekers dat verdere optimalisatie van de vriesprotocollen en eiwitvarianten zal leiden tot een breed inzetbaar constructiemateriaal voor extreme omgevingen.
Nieuw 'super-ijs' is 10 keer sterker en nadert de sterkte van beton
(Afbeelding: Simon Gakhar/Moment RF/Getty Images)
Tijdens de Tweede Wereldoorlog experimenteerde de Britse Royal Navy met het idee om een vliegdekschip te bouwen van ijs dat versterkt was met houtpulp. Dit composietmateriaal, bekend als Pykrete, was blijkbaar net zo sterk als beton, zolang het maar bevroren kon worden gehouden.
Het schip zou in feite een drijvende, op maat gemaakte en versterkte ijsberg zijn waarnaar vliegtuigen konden opstijgen en landen. Vanwege stijgende kosten en betere alternatieven werd het project uiteindelijk echter stopgezet.
Nu hebben onderzoekers, geleid door een team van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël, dat idee uit de jaren 40 verder ontwikkeld om te creëren wat zij 'BioPykrete' noemen. Door plantgebaseerde kristallen en een specifiek eiwit aan ijs toe te voegen, hebben ze een materiaal ontwikkeld dat 10 keer sterker is dan gewoon ijs en tot 70 keer meer energie kan absorberen voordat het breekt.
Een studie naar het nieuwe materiaal is gepubliceerd in Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. Het team hoopt dat het materiaal in de toekomst als bouwmateriaal kan worden gebruikt.
(Afbeelding: Een monster van het nieuwe ijs. Foto: Chen Adar)
Moleculaire controle
"We wilden verder gaan dan het simpelweg mengen van vezels in ijs en in plaats daarvan controleren hoe de verschillende materialen op moleculair niveau met elkaar verbinden," zegt biochemicus Ido Braslavsky van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. "Het resultaat verandert niet alleen hoe sterk het ijs is, maar ook hoe het breekt. In plaats van plotseling te versplinteren, kan het veel meer energie absorberen en geleidelijk vervormen."
Toepassingen en duurzaamheid
De beoogde toepassing is ditmaal niet voor vliegdekschepen, maar voor bouwprojecten in afgelegen, koude gebieden waar conventionele bouwmethode moeilijk toe te passen zijn, zoals in het Arctisch en Antarctisch gebied.
Omdat er geen beton of staal nodig is, en ijs en plantgebaseerde cellulose de hoofdingrediënten zijn, zou dit een bouwmateriaal kunnen zijn met een lage CO2-voetafdruk dat bovendien biologisch afbreekbaar is.
"Hoewel de bouwsector een hoeksteen is van de wereldeconomie, blijft het een van de grootste milieuvervuilers, verantwoordelijk voor aanzienlijke koolstofemissies en enorme uitputting van hulpbronnen," schrijven de onderzoekers in hun gepubliceerde paper. "Biotechnologie biedt een transformatief pad om deze impact te verminderen door nieuwe, duurzame biomaterialen te ontwikkelen."
Technische werking
Het zal echter nog wel even duren voordat BioPykrete als constructiemateriaal kan worden ingezet. Deze studie was een kleinschalige 'proof-of-concept'-test; verder onderzoek is nodig om te zien hoe BioPykrete standhoudt over langere perioden en onder wisselende omstandigheden.
In tegenstelling tot de grotere, ongeordende vezels van houtpulp, gebruikten de onderzoekers cellulose-nanokristallen. Cellulose is het belangrijkste structurele materiaal in planten en in nanokristalvorm kan het dienen als een microscopisch versterkingsmiddel voor andere materialen, waaronder ijs. Dit voorkomt in essentie dat scheuren zich gemakkelijk verspreiden.
Het gebruikte eiwit heet CBM3a-AFPIII, een combinatie van een antifreeze-eiwit (AFP) en een koolhydraatbindend module (CBM). De functie hiervan is om als een soort lijm te werken die de cellulose-nanokristallen en het ijs aan elkaar bindt.
(Afbeelding: Scanning-elektronenmicroscoopbeelden van gevriesdroogde monsters onthullen het netwerk gevormd door kleine cellulosekristallen. De bovenste rij toont het materiaal 40 keer vergroot, de onderste rij 90 keer. Foto: Yulia Baron en Dr. Liat Bahari)
Toekomstperspectief
De onderzoekers geloven dat ze hun 'super-ijs' nog verder kunnen verbeteren door de ingrediënten en methoden aan te passen.
"Het optimaliseren van de stollingkinetiek en vriesprotocollen, samen met de ontwikkeling van diverse AFP-CBM-varianten, zou kunnen leiden tot composieten met een nog hogere sterkte," schrijven de onderzoekers.
Naast verdere tests naar de duurzaamheid van het materiaal, willen de onderzoekers nauwgezet onderzoeken hoe scheuren zich door BioPykrete voortplanten, om te bevestigen dat de onderliggende versterkingsmechanismen werken zoals zij denken.
Op de lange termijn zou deze aanpak een geheel nieuw landschap kunnen openen voor materialen in verpakkingen, constructie en meer, door een aangepast eiwit te gebruiken om twee onwaarschijnlijke verbindingen (ijs en cellulose) samen te brengen.
"Door de kloof te overbruggen tussen recombinant eiwitontwerp en structurele engineering, hebben we een hoogwaardig materiaal ontwikkeld dat specifiek is ontworpen voor de zware omstandigheden in de meest extreme omgevingen ter wereld," concluderen de onderzoekers.
Het onderzoek is gepubliceerd in Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
Nieuw 'super-ijs' is 10 keer sterker en nadert de sterkte van beton
(Afbeelding: Simon Gakhar/Moment RF/Getty Images)
Tijdens de Tweede Wereldoorlog experimenteerde de Britse Royal Navy met het idee om een vliegdekschip te bouwen van ijs dat versterkt was met houtpulp. Dit composietmateriaal, bekend als Pykrete, was blijkbaar net zo sterk als beton, zolang het maar bevroren kon worden gehouden.
Het schip zou in feite een drijvende, op maat gemaakte en versterkte ijsberg zijn waarnaar vliegtuigen konden opstijgen en landen. Vanwege stijgende kosten en betere alternatieven werd het project uiteindelijk echter stopgezet.
Nu hebben onderzoekers, geleid door een team van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël, dat idee uit de jaren 40 verder ontwikkeld om te creëren wat zij 'BioPykrete' noemen. Door plantgebaseerde kristallen en een specifiek eiwit aan ijs toe te voegen, hebben ze een materiaal ontwikkeld dat 10 keer sterker is dan gewoon ijs en tot 70 keer meer energie kan absorberen voordat het breekt.
Een studie naar het nieuwe materiaal is gepubliceerd in Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. Het team hoopt dat het materiaal in de toekomst als bouwmateriaal kan worden gebruikt.
(Afbeelding: Een monster van het nieuwe ijs. Foto: Chen Adar)
Moleculaire controle
"We wilden verder gaan dan het simpelweg mengen van vezels in ijs en in plaats daarvan controleren hoe de verschillende materialen op moleculair niveau met elkaar verbinden," zegt biochemicus Ido Braslavsky van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. "Het resultaat verandert niet alleen hoe sterk het ijs is, maar ook hoe het breekt. In plaats van plotseling te versplinteren, kan het veel meer energie absorberen en geleidelijk vervormen."
Toepassingen en duurzaamheid
De beoogde toepassing is ditmaal niet voor vliegdekschepen, maar voor bouwprojecten in afgelegen, koude gebieden waar conventionele bouwmethode moeilijk toe te passen zijn, zoals in het Arctisch en Antarctisch gebied.
Omdat er geen beton of staal nodig is, en ijs en plantgebaseerde cellulose de hoofdingrediënten zijn, zou dit een bouwmateriaal kunnen zijn met een lage CO2-voetafdruk dat bovendien biologisch afbreekbaar is.
"Hoewel de bouwsector een hoeksteen is van de wereldeconomie, blijft het een van de grootste milieuvervuilers, verantwoordelijk voor aanzienlijke koolstofemissies en enorme uitputting van hulpbronnen," schrijven de onderzoekers in hun gepubliceerde paper. "Biotechnologie biedt een transformatief pad om deze impact te verminderen door nieuwe, duurzame biomaterialen te ontwikkelen."
Technische werking
Het zal echter nog wel even duren voordat BioPykrete als constructiemateriaal kan worden ingezet. Deze studie was een kleinschalige 'proof-of-concept'-test; verder onderzoek is nodig om te zien hoe BioPykrete standhoudt over langere perioden en onder wisselende omstandigheden.
In tegenstelling tot de grotere, ongeordende vezels van houtpulp, gebruikten de onderzoekers cellulose-nanokristallen. Cellulose is het belangrijkste structurele materiaal in planten en in nanokristalvorm kan het dienen als een microscopisch versterkingsmiddel voor andere materialen, waaronder ijs. Dit voorkomt in essentie dat scheuren zich gemakkelijk verspreiden.
Het gebruikte eiwit heet CBM3a-AFPIII, een combinatie van een antifreeze-eiwit (AFP) en een koolhydraatbindend module (CBM). De functie hiervan is om als een soort lijm te werken die de cellulose-nanokristallen en het ijs aan elkaar bindt.
(Afbeelding: Scanning-elektronenmicroscoopbeelden van gevriesdroogde monsters onthullen het netwerk gevormd door kleine cellulosekristallen. De bovenste rij toont het materiaal 40 keer vergroot, de onderste rij 90 keer. Foto: Yulia Baron en Dr. Liat Bahari)
Toekomstperspectief
De onderzoekers geloven dat ze hun 'super-ijs' nog verder kunnen verbeteren door de ingrediënten en methoden aan te passen.
"Het optimaliseren van de stollingkinetiek en vriesprotocollen, samen met de ontwikkeling van diverse AFP-CBM-varianten, zou kunnen leiden tot composieten met een nog hogere sterkte," schrijven de onderzoekers.
Naast verdere tests naar de duurzaamheid van het materiaal, willen de onderzoekers nauwgezet onderzoeken hoe scheuren zich door BioPykrete voortplanten, om te bevestigen dat de onderliggende versterkingsmechanismen werken zoals zij denken.
Op de lange termijn zou deze aanpak een geheel nieuw landschap kunnen openen voor materialen in verpakkingen, constructie en meer, door een aangepast eiwit te gebruiken om twee onwaarschijnlijke verbindingen (ijs en cellulose) samen te brengen.
"Door de kloof te overbruggen tussen recombinant eiwitontwerp en structurele engineering, hebben we een hoogwaardig materiaal ontwikkeld dat specifiek is ontworpen voor de zware omstandigheden in de meest extreme omgevingen ter wereld," concluderen de onderzoekers.
Het onderzoek is gepubliceerd in Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
Groetjes,