Materiale composito in fibra dalla natura

I materiali biodegradabili prodotti in modo sostenibile sono un obiettivo importante della moderna ricerca sui materiali. Tuttavia, la lavorazione di materiali naturali come la cellulosa, la lignina o la chitina pone i ricercatori di fronte a un compromesso. Nella loro forma pura, i materiali naturali sono biodegradabili, ma spesso non hanno prestazioni sufficienti. Per renderli più forti, più resistenti o più malleabili si può ricorrere a processi di lavorazione chimica, ma in questo modo si perde in sostenibilità.

I ricercatori dell'Empa del laboratorio "Cellulosa e materiali lignei" hanno ora sviluppato un materiale a base biologica che evita abilmente questo compromesso. Non solo è completamente biodegradabile, ma è anche resistente agli strappi e ha proprietà funzionali versatili. Il tutto con fasi di lavorazione minime e senza l'utilizzo di sostanze chimiche - si può persino mangiare. Il suo segreto: è vivo.

Ottimizzato dalla natura

Come base per il loro nuovo materiale, i ricercatori hanno utilizzato il micelio della clemente comune, un fungo commestibile molto diffuso che cresce sul legno morto. I miceli sono strutture fungine filamentose simili a radici che vengono già studiate attivamente come potenziali fonti di materiale. Normalmente, le fibre miceliali - note come ife - vengono pulite e, se necessario, trattate chimicamente, il che comporta il ben noto compromesso tra prestazioni e sostenibilità.

I ricercatori dell'Empa hanno scelto un approccio diverso. Invece di elaborare faticosamente il micelio, lo hanno utilizzato nella sua interezza. Quando cresce, il fungo non forma solo ife, ma anche la cosiddetta matrice extracellulare: una rete di diverse macromolecole simili a fibre, proteine e altre sostanze biologiche che le cellule vive secernono. "Il fungo usa questa matrice extracellulare per darsi una struttura e altre proprietà funzionali. Perché non dovremmo fare lo stesso?", spiega Ashutosh Sinha, ricercatore dell'Empa. "La natura ha già sviluppato un sistema ottimizzato", aggiunge Gustav Nyström, responsabile del laboratorio "Cellulosa e materiali lignei".

Con un po' di ottimizzazione mirata, i ricercatori hanno dato una mano alla natura. Dall'enorme diversità genetica delle clementine comuni, hanno selezionato un ceppo che produce una quantità particolarmente elevata di due macromolecole specifiche: il polisaccaride a catena lunga schizofillano e la proteina idrofobina simile al sapone. Grazie alla loro struttura, le idrofobine si raccolgono alle interfacce tra liquidi polari e apolari, ad esempio acqua e olio. Lo schizofillano è una nanofibra: meno di un nanometro di spessore, ma più di mille volte più lunga. Insieme, queste due biomolecole conferiscono al micelio vivente proprietà che lo rendono adatto a un'ampia gamma di applicazioni.

Un emulsionante vivente

I ricercatori hanno dimostrato la versatilità del loro materiale in laboratorio. Nel loro studio, pubblicato di recente sulla rivista scientifica "Advanced Materials", hanno presentato due possibili applicazioni del materiale vivente: una pellicola simile alla plastica e un'emulsione. Le emulsioni sono miscele di due o più liquidi che normalmente non possono essere mescolati. Se volete vederne un esempio, basta aprire il frigorifero: Il latte, il condimento per l'insalata o la maionese ne sono un esempio. Ma anche diversi cosmetici, pitture e vernici sono disponibili come emulsioni.

Una sfida è quella di stabilizzare tali miscele in modo che non si "segreghino" nuovamente nei singoli liquidi nel corso del tempo. È qui che il micelio vivente mostra il suo lato migliore: sia le fibre di schizofilla che le idrofobine agiscono come emulsionanti. E il fungo vivente rilascia costantemente altre molecole. "Questo è probabilmente l'unico tipo di emulsione che diventa più stabile nel tempo", afferma Sinha. Sia i filamenti fungini che le loro molecole ausiliarie sono completamente atossici, biologicamente compatibili e persino commestibili: il comune fungo a foglia spaccata è considerato un fungo commestibile in molte parti del mondo. "Il suo utilizzo come emulsionante nell'industria cosmetica e alimentare è quindi particolarmente interessante", afferma Nyström.

Dai sacchetti per il compost alle batterie

Tuttavia, la rete fungina vivente è adatta anche per le applicazioni classiche dei materiali. In un secondo esperimento, i ricercatori hanno prodotto film sottili dal loro micelio. La matrice extracellulare con le lunghe fibre di schizofillano conferisce al materiale un'ottima resistenza alla trazione, che può essere ulteriormente migliorata con un allineamento mirato delle fibre fungine e polisaccaridiche.

"Combiniamo i metodi collaudati per la lavorazione dei materiali a base di fibre con il campo emergente dei materiali viventi", spiega Nyström. Sinha aggiunge: "Il nostro micelio è un composito di fibre viventi, per così dire". I ricercatori possono controllare le proprietà di questo materiale modificando le condizioni di crescita del fungo. È inoltre possibile utilizzare altri ceppi o specie fungine che producono altre macromolecole funzionali.

Tuttavia, lavorare con il materiale vivente presenta anche alcune sfide. "I materiali biodegradabili reagiscono sempre all'ambiente circostante", afferma Nyström. "Vogliamo trovare applicazioni in cui questa interazione non sia un ostacolo, o addirittura un vantaggio". Tuttavia, la biodegradabilità è solo una parte della storia del micelio. Anche il micelio è biodegradabile: la comune mannaia è in grado di decomporre attivamente il legno e i materiali vegetali. Sinha vede un'ulteriore potenziale applicazione: "Invece di sacchetti di plastica compostabili per gli scarti di cucina, potrebbe essere utilizzato per produrre sacchetti che compostano i rifiuti organici stessi", dice il ricercatore.

Esistono anche applicazioni promettenti per il micelio nel campo dell'elettronica sostenibile. Ad esempio, il materiale fungino reagisce reversibilmente all'umidità e potrebbe essere utilizzato per produrre sensori di umidità biodegradabili. Un'altra applicazione a cui sta lavorando il team di Nyström combina il materiale vivente con altri due progetti di ricerca del laboratorio Cellulose and Wood Materials: la batteria di funghi e la batteria di carta. "Vogliamo produrre una batteria compatta e biodegradabile i cui elettrodi siano costituiti da un 'fungo di carta' vivente", spiega Sinha.

Autore

Anna Ettlin è redattrice scientifica e lavora nella comunicazione dell'Empa. www.empa.ch