В лаборатории в здании Calit2 Александра Стшелецка открывает ящик, достает небольшой квадратный лист и передает его посетителю. Коричневатый эластичный материал растягивается более чем в два раза по сравнению с первоначальным размером.
«Он очень легкий», — отмечает Паньимин Лю, сокурсник Стшелецки по химическому машиностроению, и, конечно же, если бы кто-то рискнул предположить, сколько он весит, ноль унций был бы разумным ответом.
Они демонстрируют адаптивный терморегулирующий композитный материал, который они помогли разработать и который получил прозвище в честь своего вдохновения: кожа кальмара.
Кожа головоногих позволяет этим существам менять цвет, а изобретение UCI, основанное на ней, может изолировать чашки для напитков, сумки для ресторанов, коробки для посылок и, если у вас достаточно рулонов, транспортные контейнеры.
Алон Городецкий, адъюнкт-профессор химической и биомолекулярной инженерии, в лаборатории которого Лю и Стшелецка проводят исследования, говорит, что идея использовать упаковку возникла в разгар пандемии COVID-19, когда многие из нас заказывали продукты и блюда из ресторанов на дом. Доставка.
«Все, что скоропортится, все, что требует контролируемой температуры, поставляется с невероятной степенью упаковки», — говорит Городецкий. «Заявка была действительно мотивирована размышлениями об этой фундаментальной проблеме, потому что упаковка для пищевых продуктов очень расточительна. И количество посылок, которые каждый доставил на дом, увеличилось более чем на порядок. Куда потом девается весь этот материал? быть на свалках в течение сотен лет, в основном».
Но то, что делает традиционная упаковка для пищевых продуктов, — это способность сохранять горячие продукты горячими, холодные — холодными, а внешняя оболочка достаточно нейтральной для удобства обращения. Что возвращает нас к непритязательному кальмару. Расширение и сжатие хроматофора в коже кальмара изменяет отражение и передачу видимого света, и эти изменения помогают головоногим моллюскам общаться и маскировать свое тело, чтобы спрятаться от хищников.
Команда Городецкого воспроизвела этот подход, включив в свой материал «настраиваемую терморегуляцию», что может привести к повышению энергоэффективности и даже защитить чувствительные пальцы. Это подытожено в статье исследователей UCI «Масштабируемое производство биоинспирированных материалов с настраиваемыми свойствами управления теплом», которая была опубликована 28 марта в журнале Nature Sustainability.
Верхний слой материала изготовлен из меди, а нижележащий поддерживающий слой представляет собой обычный каучуковый полимер. « Композитный материал можно перерабатывать в больших количествах, удаляя медь уксусом и используя известные коммерческие методы для повторного использования оставшегося растяжимого полимера», — говорит Мохсин Бадшах, ведущий автор статьи и бывший научный сотрудник UCI в области химической и биомолекулярной инженерии.
(Эрика Леунг, недавно окончившая UCI со степенью доктора философии в области химической и биомолекулярной инженерии, является еще одним соавтором исследования.)
Демонстрируя кожу кальмара в лаборатории, соавторы Лю и Стшелецка объясняют, как команда достигла своей цели, сделав что-то не только пригодное для повторного использования, но и нетоксичное, антибактериальное и очень крупномасштабное, сохраняя при этом способность растягиваться, прочность и терморегуляцию.
Стоимость была еще одним фактором, добавляет Стшелецка. «Этот материал был лучшим выбором по цене», — говорит она. «В некоторых альтернативах используется золото или серебро, но при сравнении цены наш подход более практичен для глобальных потребителей».
Затем она вытащила бумажный кофейный стаканчик, вокруг которого был обернут тонкий слой материала, напоминающего кожу кальмара и скрепленный липучкой. «Вы можете растянуть его, чтобы регулировать, насколько теплым вы хотите пить кофе», — сказала она. «Один из наших экспериментов касался изменения скорости охлаждения».
«Наличие чего-то, что вы можете обернуть вокруг своей чашки, например, латекса или саранской пленки, позволит вам превратить почти любой контейнер в изолированный термос», — говорит Городецкий. «Но, имея возможность растягивать материал, вы можете настроить его в соответствии со своими потребностями. Может быть, вам нравится горячий кофе, а кто-то любит его теплым или теплым».
Судя по многочисленным сообщениям СМИ о статье Nature Sustainability , существует большой интерес к тому, чтобы сделать это, но не то, чтобы это внимание удивило Городецкого. «Эта тема очень актуальна, — говорит он. «Экологичная упаковка — это лишь одна из вещей, о которых люди много думают. Было несколько новостных статей о том, как Starbucks годами пыталась покончить с одноразовыми кофейными стаканчиками, потому что это губительно для окружающей среды.
«Что меня удивило, так это международный интерес. В таких странах, как Италия, Германия и Франция, происходит много вещей, касающихся политики устойчивого развития. воздействие на окружающую среду ».
Что также волнует Городецкого, так это интерес отрасли к материалам, вдохновленным кожей кальмара. «С точки зрения того, как мы можем продвигать это вперед, есть компании, связывающиеся с Beall Applied Innovation», — говорит он. «Это потому, что у нас есть некоторая интеллектуальная собственность, защищенная через BAI. Здесь я хочу отдать должное DARPA, которое подтолкнуло нас к переводу».
Он имеет в виду Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов, которое разрабатывает новые технологии для военных и, в конечном итоге, адаптирует их для общего использования потребителями. Дроны, персональные компьютеры, Интернет, голосовая активация и вакцина Moderna против COVID-19 — вот лишь некоторые из инноваций, за которые DARPA может претендовать, по крайней мере, частично.
«Они мыслят очень широко, и это приятно видеть», — говорит Городецкий, чья лаборатория получает выгоду от Инициативы DARPA по встроенному предпринимательству, которая ускоряет преобразование инноваций в продукты за счет финансирования, наставничества и связи ученых и инженеров с инвесторами и корпоративными партнерами.
«Они производят технологии, которые могут создать совершенно новые отрасли, перевернуть существующие рынки, обеспечить военное преимущество и создать долгосрочные социальные изменения», — говорится в пояснении бенефициаров инициативы на веб-сайте DARPA. «Однако влияние резко замедляется из-за отсутствия базовых предпринимательских навыков и недостаточного понимания динамики рынка частного сектора. Инициатива встроенного предпринимательства заполняет эти пробелы в знаниях, дополняя научно-исследовательские группы критически важным бизнес-опытом».
«Мы связывались с различными компаниями и говорили с ними об использовании некоторых наших технологий, — говорит Городецкий. «Удивительно, что ноу-хау DARPA задействовано в этом процессе. В мою лабораторию буквально встроен предприниматель, поддерживаемый DARPA, который работает с моими студентами, пытаясь воплотить эту технологию в продукты».
Не то чтобы это было легко: материал, вдохновленный кожей кальмара, должен был конкурировать с другими проектами, чтобы быть выбранным.
«Программе EEI чуть больше двух лет, и она уникальна, — говорит Городецкий. «Нам очень повезло получить награду. Процесс отбора должен быть ошеломляющим, потому что DARPA видит все футуристические технологии. Затем они говорят: «Ну, это те, которые мы считаем наиболее многообещающими». Это очень приятно, потому что показывает нам, как далеко мы продвинулись всего за несколько лет после того, как начали с концепции на бумаге».
Материал, вдохновленный кожей кальмара, может быть произведен по цене 10 центов за квадратный метр, согласно части анализа затрат в документе Nature Sustainability. Это сделало бы его таким же доступным, как космическое одеяло. «Мы находимся в диапазоне для этих типов металлизированных листов, изготовленных на стандартном оборудовании», — говорит Городецкий. «Мы немного на более высоком уровне, но для всех целей и целей это в основном такая же стоимость, как изготовление внутренней части пакета для картофельных чипсов».
Гонка от исследования до размещения на потребительских полках еще не закончена. «То, что сейчас делает встроенный предприниматель, помогает нам понять, что будет рыночным и коммерчески жизнеспособным продуктом», — говорит Городецкий. «Мы можем даже сделать прототип этого продукта. Поскольку существует так много разных приложений, вы выбираете одно и отстаиваете его.
«Пример с кофейной чашкой — классная демонстрация, но, возможно, это не самое коммерчески жизнеспособное приложение без дополнительной работы. Вот почему вы получаете кого-то, у кого есть реальный бизнес-опыт. Кто-то, кто скажет вам, что к чему».
Его лаборатория гораздо больше занимается разработкой продукта — после того, как точный продукт известен — и решением дополнительных производственных задач.
«Каждый раз, когда вы что-то масштабируете, это совершенно новый исследовательский проект», — говорит Городецкий. «В следующий раз мы хотим сделать рулоны из этого материала. Это невероятная инженерная задача».
Кроме того, существует возможность добавления модификаций по ходу дела, таких как размещение датчиков внутри материала или добавление возможностей самовосстановления. «Есть много наворотов, которые можно добавить», — говорит Городецкий. «Но каждый раз, когда вы что-то меняете, это становится совершенно новым проектом».
Во что бы это в конечном итоге ни превратилось, UCI будет владеть патентом на ценный материал, будущее использование которого кажется бесконечным. Когда дело доходит до получения лабораторией Городецкого каких-либо доходов, он смиренно соглашается: «Если мы что-нибудь и получим, то совсем немного. И я буду этому рад. Это веселый, веселый проект».
И, по словам первого соавтора Стшелецки, полезного.
«Интересно то, что сделанные нами измерения были полностью подтверждены теоретическими расчетами, что говорит нам о том, что физика, стоящая за этой идеей, действительно верна», — говорит она. «Это очень хороший мотив для нас, чтобы сделать больше исследований».
