Хитинът – устойчивият биоматериал на бъдещето

Интердисциплинарен екип от Университета в Щутгарт, Германия, разработва мащабен научноизследователски проект „Хитинов флуид“ (Chitinfluid). Амбициозното начинание има за цел да проучи възможностите на хитина като ресурс за производство на многофункционални устойчиви материали, които да намерят приложение и в строителството.

Какво представлява хитинът?

Хитинът е вторият най-широко разпространен в природата полимер, след целулозата, притежаващ отлични механични и оптични свойства, които намират широко техническо приложение. Той е едновременно гъвкав, лек и стабилен – идеалните качества на всеки строителен материал.
Материалите на основата на хитин са хидрофобни и следователно, за разлика от тези на целулозна основа, не могат да абсорбират вода. Това ги прави устойчиви на плесен. Чрез химическа модификация те стават огнеупорни, механично са много здрави и за разлика от синтетичните полимери могат да се компостират.
Имено тези естествено добри негови свойства събуждат интереса на екипа от учени, в търсенето им на биологични, възобновяеми и устойчиви суровини с приложение в строителството.

От ракова черупка до иновативен строителен материал, източник: Universität Stuttgart

“Изключително гъвкавият хитин е например съставна част на черупките на омарите, които много трудно се чупят. От друга страна, той участва като структурна молекула в нещо толкова деликатно като крилото на насекомото или в меката обвивка на червеите. Хитинът се среща и в гъбичките и някои водорасли“, подчертава Сабине Лашат, професор по органична химия в Щутгартския университет и научен ръководител на проекта.

Допълнителноo предимство на хитина е голямата му наличност в природата. Това е основният компонент на рибните люспи и външните обвивки на ракообразните и насекомите, който им осигурява едновременно стабилност и гъвкавост. Поради ограничената му хранителна стойност за хората, извличането му с цел производство на строителни материали не се конкурира с производството на храни, при което той представлява по-скоро отпадъчен продукт.

От добив на суровини до леки павилиони

Интердисциплинарният екип се състои от изследователи, покриващи широк спектър от дисциплини – от природни науки и биоинженерство до материалознание и устойчиви строителни системи. Техните усилия са насочени към цялостното проучване на процеса – от извличането на суровината, през синтеза на материалите, до тяхната обработка и използването им като интелигентен строителен материал, който дава възможност за 3D принтиране.

Схематично представяне на процеса на извличане на чист хитин от черупки на ракообразни, източник: Universität Stuttgart

Налице вече са първите образци от твърди материали, които се образуват в многоетапен процес на основата на хитина. Материалите предлагат механична стабилност, както и целевите ниски плътности. Екипът демонстрира първите си успехи през лятото на 2021, когато в университетския кампус беше изложена първата структура, изградена с компоненти от иновативния материал.

Изследователски павилион BioMat, източник: Universität Stuttgart

Павилионът BioMat е лека конструкция от гъвкава, двойно извита решетъчна обвивка, изработена от биокомпозитни профили от естествени влакна, която прави съвсем осезаеми възможностите на биоматериалите. Размерът на конструкцията е 10 метра, а височината й е между 3 и 4,5 м в най-високата й точка.

Изследователски павилион BioMat, източник: Universität Stuttgart

Благодарение на хитина: лек, устойчив бетон

Хитиновите хидрогелове представляват сложни течности на водна основа, които могат да се преработват в материали с много различни, контролируеми свойства, които ги правят изключително атрактивни за строителния сектор. Учените планират комбинирането им с бетон като се предвижда изработката както на слоести, така и на порести системи, при които например бетонните пори се запълват с пяна на хитинова основа. В рамките на проекта екипът си поставя за цел да произведе и тества прототипи на такива специални композити от хитинова пяна и бетон в мащаб от килограм до тон.

“В конвенционалните композитни строителни материали бетонът често се комбинира с полимерна пяна. Те обаче трудно се рециклират и замърсяват околната среда. Нашите течности на биологична основа и пените, произведени от тях, трябва да предлагат същите предимства на материала, но могат лесно да се разграждат от естествени микробни ензими“, аргументира Лашат.

Още възможни приложения – топло- и звукоизолация

Материалите на хитинова основа могат да покажат своите предимства и при други приложения. Поради своята хидрофобност, те могат да се използват за фасадите на сгради, а също и като външен слой на превозни средства.
Тъй като производството, употребата и изхвърлянето на конвенционалните композитни строителни материали стават все по-сложни и следователно по-скъпи поради екологичните проблеми, които създават, устойчивите решения ще стават все по-икономически значими в бъдеще. Задълбоченото проучване на възможните икономически ползи от новите разработки на хитинова основа са една от основните цели на изследователския екип.

“Дори да постигнем само минимални промени към по-голяма устойчивост в строителния сектор с разработката на хитинови материали, това може да има голямо значение върху строителството като цяло“, убедена е професор Лашат, която изтъква огромното въздействие на строителния сектор, „който в крайна сметка е отговорен за 40% от световното потребление на енергия, 35% от CO₂ и 45% от световното потребление на ресурси“.

За пореден път се потвърждава тезата, че значимите открития се правят на границата между науките, и то предимно от учени, притежаващи знания и интереси, простиращи се отвъд границите на собствената им научна област.