Ešte pred priemyselnou revolúciou vyrábali ľudia kovy v malých dielňach pomocou ohňa a kladiva. Dnes je výroba magnetov a batérií závislá od vzácnych zemín, ktorých ťažba je čoraz nákladnejšia a environmentálne problematická. Cambridgeská univerzita teraz získala financovanie od agentúry Advanced Research + Invention Agency (ARIA), aby tento model zmenila. Vedci chcú použiť proteíny ako výrobné nástroje na zostavovanie pokročilých materiálov – vrátane vysoko výkonných magnetov, ktoré nepotrebujú vzácne zeminy.
Financovanie je súčasťou programu Universal Fabricators Programme agentúry ARIA. Ide o trojročný program v hodnote 50 miliónov libier, ktorý podporí 11 rôznych výskumných tímov. Ústrednou myšlienkou programu je, že proteíny môžu fungovať ako „univerzálny výrobca“ – teda že ich možno naprogramovať tak, aby riadili vznik materiálov s požadovanými vlastnosťami.
Profesor Ronan Daly z Cambridgeského inštitútu pre výrobu (Institute for Manufacturing) vedie projekt s názvom Protein SPARK. Jeho tím chce využívať proteíny ako malé lego kocky na pestovanie magnetov bez vzácnych zemín a pokročilých elektród pre batérie, ktoré udržia viac náboja a vydržia dlhšie. Metóda, ktorú nazývajú „Droplet Lego“, sa inšpiruje tým, ako proteíny riadia biomineralizáciu – proces, ktorým živé organizmy vytvárajú tvrdé materiály, napríklad kosti alebo zuby. Tento prírodný proces sa snažia preniesť na nepretržitú výrobnú linku.
Mikroskopické kvapôčky nesúce navrhnuté proteíny a prvky sa nastriekajú a vytlačia na miesto, podobne ako atramentová tlač. Proteíny potom rastú, usmerňujú a formujú základný materiál do nanokryštálov, filmov a trojrozmerných štruktúr. Tím tak získava kontrolu nad tvarom aj funkciou materiálu už počas jeho vzniku.
„Magnety sú všade okolo nás, od slúchadiel a mobilných telefónov až po motory a veterné turbíny,“ povedal Daly. „Takmer všetky magnety obsahujú vzácne zeminy, ktorých ťažba je nákladná, ide o ubúdajúci zdroj a prináša značné environmentálne problémy. Náš projekt je v podstate výrobný – namiesto vzácnych zemín použijeme proteíny na riadenie rastu užitočných magnetických materiálov. Potom sa pozrieme na to, ako to aplikovať na ďalšie produkty, napríklad na nové batérie, ktoré sa rýchlo nabíjajú a dlho vydržia.“
Okrem Dalyho je v tíme profesor Michael De Volder, profesor John Durrell a doktor Sebastian Pattinson z Katedry inžinierstva, profesorka Ljiljana Fruk z Katedry chemického inžinierstva a biotechnológie a profesor Tuomas Knowles z Yusuf Hamied Department of Chemistry. Spolupracujú aj výskumníci z University of Amsterdam a University of Liverpool.
Cambridgeskí vedci sú zapojení aj do dvoch ďalších projektov v rámci Universal Fabricators Programme. Doktorka Shijing Sun a doktor Zuyang Ye z Katedry materiálových vied a metalurgie a profesor Tuomas Knowles, Josie Forsythe, Hannah Han a Max Gao z Yusuf Hamied Department of Chemistry sú súčasťou projektu Protein Organised Engineered Materials (POEM), ktorý vedie University of Washington a na ktorom sa podieľajú aj kolegovia z University of Leeds. Tím POEM vyvíja nový spôsob výroby vysoko výkonných magnetov pomocou špeciálne navrhnutých proteínov, ktoré riadia, ako magnetické kryštály rastú a usporadúvajú sa. Tento prístup by mohol viesť k výkonnejším a spoľahlivejším magnetom pre budúce technológie tým, že vedcom dá presnú kontrolu nad veľkosťou, tvarom a rozstupom kryštálov.
„Použitie proteínov ako šablón na zostavovanie anorganických materiálov by mohlo otvoriť nové postupy na výrobu ďalšej generácie magnetov bez vzácnych zemín,“ povedala Sun. „Náš tím v Cambridgei prináša do tohto hľadania vysokokapacitné metódy, aby dizajn proteínov, materiálová chémia a automatizované experimentovanie fungovali ako jeden celok.“
Profesor Erwin Reisner z Yusuf Hamied Department of Chemistry je súčasťou projektu S-LATTICE, ktorý vedie University of Edinburgh. Tím S-LATTICE vyvíja nové materiály kombináciou prirodzene sa samozostavujúcich proteínov s kovmi. Vznikajú veľké, vysoko usporiadané plochy, ktoré možno prispôsobiť vlastnosťami, aké sa v prírode nevyskytujú. Tieto materiály by sa dali využiť na presnú filtráciu, premenu oxidu uhličitého na užitočné produkty, čistejšiu katalýzu a technológie interagujúce so svetlom – to všetko v rámci jednej platformy.
Program Universal Fabricators Programme vedie Ivan Jayapurna.
Prečo sú vzácne zeminy problematické
Vzácne zeminy sú skupina 17 chemických prvkov, ktoré sa používajú v mnohých moderných technológiách – od magnetov v motoroch a veterných turbínach až po elektroniku. Hoci ich názov naznačuje vzácnosť, v zemskej kôre ich je pomerne dosť. Problém je v tom, že sa nachádzajú rozptýlené a ich ťažba a spracovanie sú náročné na energiu, vodu a chemikálie. Často vznikajú toxické odpady a ťažba má výrazný vplyv na krajinu. Navyše, ložiská sú geograficky koncentrované, čo vyvoláva obavy o dodávateľskú bezpečnosť. Snaha nahradiť vzácne zeminy inými materiálmi alebo výrobnými postupmi je preto dlhodobým cieľom materiálového výskumu.
Ako funguje biomineralizácia a jej priemyselné využitie
Biomineralizácia je proces, pri ktorom živé organizmy vytvárajú tvrdé minerálne štruktúry. Robia to napríklad mäkkýše, ktoré stavajú lastúry, alebo stavovce, ktoré tvoria kosti a zuby. Proteíny v tomto procese pôsobia ako šablóny a katalyzátory: určujú, kde a ako sa minerálne častice ukladajú, aký majú tvar a aké usporiadanie. Projekt Protein SPARK sa inšpiruje touto prirodzenou schopnosťou a prenáša ju do priemyselného prostredia. Namiesto pomalého biologického rastu sa používa trysková tlač mikroskopických kvapôčok s proteínmi a prvkami. Tie sa ukladajú presne na určené miesta a proteíny následne riadia rast nanokryštálov. Výsledkom je materiál, ktorého vlastnosti sa dajú ovládať už počas vzniku.
Metodika: Droplet Lego a vysoko-kapacitné skríningy
Metóda Droplet Lego kombinuje prvky atramentovej tlače a biotechnológie. Kvapôčky s priemerom niekoľkých mikrometrov sa nastriekajú na povrch, kde sa z nich stanú mikroreaktory. Proteíny v nich interagujú s iónmi kovov a usmerňujú ich vyzrážanie do kryštalických foriem. Keďže ide o kontinuálny proces, dá sa ľahko zrýchliť a automatizovať. Pri projekte POEM sa zase využívajú vysokokapacitné metódy, ktoré umožňujú rýchlo testovať veľké množstvo kombinácií proteínov a podmienok. Automatizované experimentovanie pomáha nájsť najvhodnejšie proteínové šablóny a optimalizovať vlastnosti magnetických kryštálov, ako je ich veľkosť, tvar a rozstup.
Hoci sú prvé výsledky sľubné, výskum je stále v ranom štádiu. Správa neuvádza, aké konkrétne magnety sa už podarilo vyrobiť, ani aké sú ich magnetické vlastnosti v porovnaní s konvenčnými magnetmi. Nie je jasné, či sa metóda dá preniesť z laboratórnych podmienok do veľkovýroby, aká bude jej energetická náročnosť a či bude cenovo konkurencieschopná. Otvorená zostáva aj otázka, ako presne proteíny riadia nukleáciu a rast kryštálov a či sa dajú navrhnúť tak, aby fungovali pre širokú škálu materiálov. Tieto neznáme budú predmetom ďalšieho výskumu v rámci trojročného programu.
Ak sa podarí vyvinúť magnety bez vzácnych zemín, mohlo by to znamenať zníženie environmentálnej záťaže spojenej s ťažbou a spracovaním týchto kovov. Zároveň by sa zvýšila dostupnosť a cenová stabilita kľúčových komponentov pre elektromobily, veterné turbíny, elektroniku a ďalšie odvetvia. Nové elektródy pre batérie, ktoré by vydržali viac nabíjacích cyklov a rýchlejšie sa nabíjali, by zase podporili prechod na obnoviteľné zdroje energie a elektrickú mobilitu. Program ARIA tak nepodporuje len jeden izolovaný objav, ale celú platformu, ktorá prepája proteínové inžinierstvo, materiálovú chémiu a automatizáciu. Ak sa tento prístup osvedčí, mohol by zmeniť spôsob, akým vyrábame pokročilé materiály – od magnetov až po katalyzátory a filtračné membrány.
Na poskytovanie tých najlepších skúseností používame technológie, ako sú súbory cookie na ukladanie a/alebo prístup k informáciám o zariadení. Súhlas s týmito technológiami nám umožní spracovávať údaje, ako je správanie pri prehliadaní alebo jedinečné ID na tejto stránke. Nesúhlas alebo odvolanie súhlasu môže nepriaznivo ovplyvniť určité vlastnosti a funkcie.
Funkčné
Vždy aktívne
Technické uloženie alebo prístup sú nevyhnutne potrebné na legitímny účel umožnenia použitia konkrétnej služby, ktorú si účastník alebo používateľ výslovne vyžiadal, alebo na jediný účel vykonania prenosu komunikácie cez elektronickú komunikačnú sieť.
Predvoľby
Technické uloženie alebo prístup je potrebný na legitímny účel ukladania preferencií, ktoré si účastník alebo používateľ nepožaduje.
Štatistiky
Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na štatistické účely.Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na anonymné štatistické účely. Bez predvolania, dobrovoľného plnenia zo strany vášho poskytovateľa internetových služieb alebo dodatočných záznamov od tretej strany, informácie uložené alebo získané len na tento účel sa zvyčajne nedajú použiť na vašu identifikáciu.
Marketing
Technické úložisko alebo prístup sú potrebné na vytvorenie používateľských profilov na odosielanie reklamy alebo sledovanie používateľa na webovej stránke alebo na viacerých webových stránkach na podobné marketingové účely.
