UD-Ingenieure sind die Haupterfinder eines neuen Patents zur Herstellung piezoelektrischer Geräte wie Sensoren und Aktoren unter Verwendung von Nodax, einem biologisch abbaubaren, biobasierten Polymer.
Jedes Jahr werden mehr als 400 Millionen Tonnen Kunststoff hergestellt, darunter Einwegartikel wie Einkaufstüten und Trinkbecher. Da diese Materialien lange Zeit ohne Abbau in die Umwelt gelangen können, suchen Forscher und Unternehmen nach Materialien, die ähnliche physikalische Eigenschaften wie herkömmliche Kunststoffe bieten, sich aber schnell biologisch abbauen lassen und Pflanzen und Tieren keinen Schaden zufügen.
Ein Polymer, das von Isao Noda, einem außerordentlichen Professor am Department of Materials Science and Engineering am College of Engineering der UD, erfunden, entworfen und chemisch synthetisiert wurde, ist ein solches alternatives Material, das biobasiert und biologisch abbaubar ist. Durch eine fortlaufende Zusammenarbeit mit John Rabolt, dem Karl W. und Renate Böer-Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, wurde festgestellt, dass dieses Polymer überraschend hohe piezoelektrische Eigenschaften aufweist, was bedeutet, dass es beim Biegen oder Verformen Elektrizität erzeugen kann.
Jetzt hat das in UD ansässige Forschungsteam ein US-Patent für die Verwendung dieses innovativen Materials zur Herstellung piezoelektrischer Geräte erhalten. Zusammen mit den bereits in mehreren anderen Ländern erteilten Patenten ebnet dieser Erfolg den Weg für ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen und Kommerzialisierungsmöglichkeiten.
Herstellung natürlich vorkommender Polymere im industriellen Maßstab
Während seiner Tätigkeit als Industriewissenschaftler bei Procter & Gamble wurde Noda damit beauftragt, eine neue Art von biologisch abbaubarem Material für Wegwerfwindeln und -verpackungen zu finden. Er begann, sich mit einer Klasse von Polymeren zu befassen, die Polyhydroxyalkanoate (PHAs) genannt werden, eine Art natürlich vorkommender Polyester, der von Bakterien und anderen Mikroorganismen und Pflanzen hergestellt wird.
Das Problem, erklärte Noda, bestand darin, dass die damals bekannten PHAs zu hart und spröde waren, um in den meisten praktischen Anwendungen nützlich zu sein.
„Ich habe viele spektroskopische Charakterisierungen durchgeführt und erkannte, dass wir in der Lage sein sollten, Bakterien zu finden, die die Molekülstruktur von PHAs auf eine bestimmte Weise verändern könnten“, erklärte Noda und bezog sich dabei auf die Kettenlänge der Alkylseitengruppe des Polymers.
„Diese Zweige können Methyl oder Ethyl sein, die nicht einfach geschmolzen oder verarbeitet werden können. Aber wenn man diesen Zweig auf drei Kohlenstoffatome, also Propyl, oder noch länger ausdehnt, lässt sich das Material plötzlich leichter verarbeiten und wird duktil.“ , zähes und nützliches Polymer.“
Dieses biologisch abbaubare Polymer mit dem Handelsnamen Nodax wird heute im industriellen Maßstab von Danimer Scientific hergestellt, einem Biotechnologieunternehmen, das sich auf die Entwicklung nachhaltiger Alternativmaterialien als Ersatz für herkömmliche Kunststoffe konzentriert. UD unterhält außerdem eine laufende Partnerschaft mit Danimer, der die jüngsten Bemühungen zur Patentanmeldung unterstützt hat.
Im Gegensatz zur Herstellung von Standardkunststoffen wird Nodax in großen Tanks von Bakterien aus pflanzlichen Rohstoffen hergestellt. Die formulierten Nodax-Polymere werden dann von anderen Unternehmen gekauft, um eine Vielzahl von Endprodukten herzustellen, deren biologische Abbauraten denen von Zellulose oder Lebensmittelabfällen ähneln.
„Danimer Scientific hat bei der kommerziellen Produktion natürlich vorkommender PHAs Pionierarbeit geleistet und erneuerbare und vollständig zertifizierte biologisch abbaubare und kompostierbare Materialien für viele verschiedene Lebensmittelservice- und Verpackungsanwendungen wie Strohhalme, Besteck, Papierbeschichtungen, Kaffeepads und flexible Folien angeboten“, sagte Keith A . Edwards, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Danimer.
Entdeckung neuer Eigenschaften durch Grundlagenforschung
Aber die Arbeit hörte nicht auf, als Nodax-Biopolymere in großem Maßstab hergestellt wurden. Nachdem Noda 2012 an der UD einen eingeladenen Vortrag gehalten hatte, traf er sich mit seinem langjährigen Kollegen Rabolt und beschloss, einen Teil des über die Jahre gesammelten Materials zu übertragen, um neue Wege der Grundlagenforschung zu unterstützen. Noda, der von 2013 bis 2019 auch als Senior Vice President von Danimer Scientific fungierte und immer noch im Vorstand sitzt, kam 2012 als angeschlossenes Fakultätsmitglied zu UD.
Mit Bemühungen unter der Leitung von Ph.D. Die Alumni Liang Gong (jetzt bei 3M), Brian Sobieski (jetzt bei FXI), Changhao Liu (jetzt bei A123 Systems) und Materialwissenschafts- und Ingenieurforschungsprofessor Bruce Chase sowie Noda und Rabolt, entdeckte das UD-basierte Forschungsteam noch einzigartigere Eigenschaften von PHAs. Dazu gehörte die Entdeckung, dass eine der Formen des Materials stark piezoelektrisch war, was bedeutet, dass es eine elektrische Ladung behält, nachdem eine mechanische Kraft ausgeübt wurde.
„Es war eine großartige Zusammenarbeit – wir hatten Chemiker, Rheologen, Physiker und die richtige Mischung an Fähigkeiten, um dieses einzigartige Material zu verstehen und verschiedene Dinge damit zu tun“, sagte Rabolt.
Diese Feststellung veranlasste das Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP) der UD, 2019 ein Patent für die Verwendung von Nodax als biologisch abbaubares Polymer zur Herstellung piezoelektrischer Geräte anzumelden; Dieses Patent wurde Anfang des Jahres erteilt und mit namentlich genannten Erfindern wie Chase, Noda und Rabolt erteilt.
„Es ist spannend, die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit zwischen der University of Delaware und Danimer Scientific zu sehen, die das Potenzial hat, eine Kettenreaktion von Vorteilen auszulösen“, sagte Julius Korley, stellvertretender Vizepräsident von OEIP.
„Wenn Unternehmen Nodax in für die Öffentlichkeit nützliche Geräte integrieren, fließen Patentgebühren an die Universität zurück, um unsere Erfinder zu belohnen und die Investitionen in Forschung und Innovation voranzutreiben, während unsere Studenten dabei lernen, Innovatoren zu werden.“
Das Potenzial eines neuen piezoelektrischen Polymers erschließen
Die Feststellung, dass Nodax über hohe piezoelektrische Eigenschaften verfügt, bedeutet, dass es möglicherweise in Sensoren oder Aktoren eingesetzt werden könnte. Nodax könnte auch als möglicher Ersatz für Polyvinylidenfluorid (PVDF) dienen, ein weit verbreitetes piezoelektrisches Material, das aus Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) hergestellt wird, einer Klasse von „ewigen Chemikalien“, die mit negativen gesundheitlichen Folgen in Verbindung gebracht werden.
Obwohl sich dieses Material noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, sind die Möglichkeiten für weitere Arbeiten, sowohl im Hinblick auf die Grundlagenforschung als auch auf mögliche Anwendungen, für Noda spannend. „Wir wollen zusätzliche Eigenschaften entdecken, die noch nicht erforscht wurden, verstehen, wie wir das Material verbessern und die Verarbeitung für den industriellen Maßstab anpassen können, und insgesamt weiterhin Grundlagenforschung betreiben, die anderen Unternehmen bei ihren zukünftigen Anwendungen helfen wird“, sagte er.
„Der Spaß daran besteht einfach darin, im Laufe der Zeit verschiedene Dinge ausprobieren zu können – vielleicht die ferroelektrische oder pyroelektrische Kapazität des Materials zu entwickeln und solche Dinge“, fügte Rabolt hinzu. „Wir sind mit diesem neuen Material wirklich nur an der Spitze des Eisbergs.“
Danimer hat bereits mit Partnern zusammengearbeitet, um Textilfasern mit Nodax herzustellen und herkömmliche Materialien wie PET und Polypropylen zu ersetzen. Die Möglichkeit, jetzt in piezoelektrische Faseranwendungen zu expandieren, ist eine aufregende Entwicklung.
„Die Zukunft von PHAs als perfekteres Polymer in vielen Anwendungen liegt jetzt vor uns, und Danimer leistet erneut Pionierarbeit bei neuen biotechnologischen Lösungen mit großartigen Partnern wie UD“, sagte Edwards.