蛋清可以转化为一种过滤海水中微塑料的材料

诸平

The structure of the aerogel is formed by graphene sheets stretched across carbon fiber networks. Credit: Shaharyar Wani

据美国普林斯顿大学（Princeton University）2022年11月4日报道，蛋清可以转化为一种能够过滤海水中微塑料的材料（Egg whites can be transformed into a material capable of filtering microplastics from seawater）。

一个由美国、意大利以及英国研究人员组成的研究团队，已经找到了一种方法，可以将你的早餐食物变成一种新材料，这种材料可以廉价地去除海水中的盐和微塑料。相关研究结果于2022年8月24日已经在《今日材料》（ Materials Today）杂志网站发表——Sehmus Ozden, Susanna Monti, Valentina Tozzini, Nikita S. Dutta, Stefania Gili, Nick Caggiano, A. James Link, Nicola M. Pugno, John Higgins, Rodney D. Priestley, Craig B. Arnold. Egg protein derived ultralightweight hybrid monolithic aerogel for water purification. Materials Today, Available online 24 August 2022. DOI: 10.1016/j.mattod.2022.08.001. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.08.001

参与此项研究的除了来自美国普林斯顿大学的研究人员之外、还有来自美国德克萨斯州休斯顿的沙特阿美休斯顿研究中心（Aramco Americas, Aramco Research Center-Houston, Houston, Texas, USA）；意大利比萨的有机金属化合物化学研究所（Institute of Chemistry of Organometallic Compounds, Pisa, Italy）、意大利纳米科学研究所（Istituto Nanoscienze, Pisa, Italy）、意大利比萨高等师范学校（NEST-Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy）、意大利特伦托大学（University of Trento, Italy）以及英国伦敦大学玛丽皇后学院（Queen Mary University of London）的研究人员。

研究人员用蛋清（egg whites）制造了一种气凝胶（aerogel），这是一种轻质多孔材料，可用于多种应用，包括水过滤（water filtration）、储能（energy storage）、隔音和隔热。苏珊·多德·布朗机械和航空航天工程教授（Susan Dod Brown Professor of Mechanical and Aerospace Engineering）、普林斯顿大学创新副院长（vice dean of innovation at Princeton）克雷格·阿诺德（Craig Arnold）与其实验室人员一起，为工程应用创造包括气凝胶在内的新材料。

有一天，在教职工会议上，他的脑海里突然冒出一个主意来。克雷格·阿诺德说：“我坐在那里，盯着三明治里的面包。我自言自语地说，这正是我们需要的那种结构。”因此，他要求他的实验室团队混合碳，制作不同的面包食谱，看看他们是否能重现他正在寻找的气凝胶结构。一开始，它们的效果都不太好，所以该团队在试验过程中不断删除配料，直到最后只剩下蛋清。

“我们从一个更复杂的系统开始，”克雷格·阿诺德说，“我们不断地减少、减少、再减少，直到我们找到它的核心。正是蛋清中的蛋白质导致了我们需要的结构。”

蛋清是一个几乎纯蛋白质的复杂系统，当冷冻干燥并在无氧环境中加热到900℃时，就会形成由碳纤维和石墨烯片组成的相互连接的结构。发表在《今日材料》(Materials Today)上的论文中，克雷格·阿诺德和他的合著者表明，合成的材料可以分别以98%和99%的效率去除海水中的盐和微塑料。

该论文的第一作者塞默斯·奥兹登(Sehmus Ozden)说:“即使先在炉子上煎一下，或者搅打一下，蛋清也能发挥作用。”塞默斯·奥兹登曾是普林斯顿复杂材料中心（Princeton Center for Complex Materials）的博士后研究助理，现在是沙特阿美研究中心（Aramco Research Center）的科学家。塞默斯·奥兹登说，虽然最初的测试使用的是从商店购买的普通蛋清（egg whites ），但其他类似的市售蛋白质（proteins）也产生了相同的结果。

“鸡蛋很酷，因为我们都能接触到它们，而且它们很容易获得，但你要小心与食物循环竞争，”克雷格·阿诺德说。因为其它蛋白质也起作用，这种材料可以以相对低廉的成本大量生产，而且不会影响食物供应。塞默斯·奥兹登指出，研究人员的下一步是改进制造过程，使其可以更大规模地用于水净化（water purification）。

如果这一挑战能够得到解决，这种材料将有显著的好处，因为它生产成本低，使用节能高效。塞默斯·奥兹登说：“活性炭是最便宜的水净化材料之一。我们将我们的结果与活性炭进行了比较，发现效果要好得多。”与反渗透（ reverse osmosis）需要大量的能量输入和多余的水操作相比，该过滤过程只需要重力操作，不浪费水。

虽然克雷格·阿诺德认为水的纯度是一个“重大的挑战”，但这并不是这种材料的唯一潜在应用。他也在探索与能源储存和绝缘有关的其它用途。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The integration of 2D-graphitic carbon (G) with 1D-carbon nanofiber (CF) allows for the unique properties of 2D graphitic carbon to be combined with the low densities, mechanical performance, and high surface area required for applications across the energy and sustainability landscape. Through a combination of experiments and numerical modeling, we demonstrate the transformation of standard egg-white (EW) proteins into an ultralightweight G-CF aerogel with a multiscale structure. The resulting covalently-bonded hierarchical structure, derived from the complex underlying protein configuration, exhibits a density that is two orders of magnitude lower than existing state-of-the-art materials. We apply this material to the challenges ofdesalination and water purification, notably demonstrating that the G-CF aerogel significantly improves upon existing materials, capturing 98.2% of ionic impurities and 99.9% of nano/microplastic contamination from seawater.

Graphical abstract