Naukowcy z Włoch opracowali nowy typ ognioodpornego pokrycia dla wyrobów włókienniczych. Badacze wykorzystali do tego celu kwas deoksyrybonukleinowy, czyli DNA, który wyekstrahowali ze spermy śledzia. Organiczny związek wielkocząsteczkowy zmniejszył palność oraz poprawił stabilność termiczną pokrytych nim materiałów bawełnianych.
Analizy przedstawione w 2012 wykazały, że tylko w 2006 roku wyprodukowano 465 000 ton środków ogniochronnych. Rynek niepalnych materiałów wciąż wykazuje wysokie zapotrzebowanie na innowacyjne produkty, ze względu na wiele niebezpieczeństw związanych z użytkowaniem konwecjonalnych środków. W trakcie działania, część z nich poprzez wytwarzanie szkodliwych substancji lotnych stanowi duże zagrożenie dla środowiska. Przez swoją toksyczność mogą być przyczyną powstawania chorób u ludzi i zwierząt. Stąd wysokie zainteresowanie niepalnymi, biodegradowalnymi związkami ograniczonymi występującymi naturalnie. Okazało się, że DNA posiada wszystkie potrzebne, charakterystyczne cechy odpowiadające klasycznym ognioodpornym substancjom.
Badacze z Politecnico di Torino pod kierunkiem Giulio Malucellego opracowali powłokę z DNA, która wystawiona na działanie ognia ogranicza skutki jego aktywności na kilka sposobów. DNA jest źródłem węgla (izolator termiczny), który odpowiada za powstawanie porowatych struktur i limituje produkcję substancji lotnych podczas zwęglania. Po drugie zawiera grupy fosforanowe zdolne do wytworzenia kwasu fosforowego (H3PO4). Dodatkowo podczas rozkładu zostają uwolnione para wodna, gazowy amoniak lub dwutlenek węgla. DNA charakteryzuje mechanizm działania powłok pęczniejących, gdzie spieniona porowata warstwa izoluje powierzchnię przed dostępem ciepła i tlenu tworząc fizyczną barierę.
Po ekstrakcji ze spermy śledzia, DNA zostało rozpuszczone w wodzie. W utworzonym roztworze w temperaturze 30°C zanurzano łatwopalne kawałki bawełnianych tkanin przez jedną minutę. Następnie pozostawione do wyschnięcia skrawki skonfrontowano z takim materiałem bez żadnego pokrycia w teście palności. Do sprawdzenia próbek wykorzystano płomień metanowy. Trwające trzy sekundy testy z poziomym ustawieniem materiału powtarzano dwukrotnie. Egzemplarze z pokryciem z DNA nie uległy spaleniu. Wydzielający się kwas fosforowy, prowadził do odwodnienia (dehydratacji) bawełnianych włókien, a węglowe pozostałości po tym procesie utworzyły warstwę izolacyjną. Uwolniony amoniak odpowiadał za rozpraszanie łatwopalnych gazów. Na skutek dostarczonego ciepła gazowy amoniak z pierwiastkami wchodzącymi w skład DNA był budulcem pianki albo szklistej, zewnętrznej powłoki bogatej w węgiel. Ponadto, nie zaobserwowano zapłonu materiału podczas ekspozycji na radiacyjny strumienia ciepła (nagrzaną ściankę) o mocy 35kW/m^2. Wskaźnik graniczny tlenu (z ang. limiting oxygen index, LOI), czyli wartość minimalna zawartości tlenu w otoczeniu, przy którym materiał ulega spaleniu wynosił 18% dla bawełny oraz 28% dla bawełny z pokryciem DNA.
Póki co, trudno traktować powłokę z DNA jako realną alternatywą dla konwencjonalnych materiałów trudnozapalnych. Naukowcy potwierdzają, że DNA pomogło zwiększyć ognioodporność bawełny, ale z powodu ograniczonych danych dotyczących palności, jego wpływ jest trudny do oszacowania. W rzeczywistości istnieje jeszcze więcej przeszkód do pokonania. Przyjazna dla środowiska powłoka z DNA mogłaby być wytwarzana na skalę przemysłową, lecz znaczącym problemem jest jej niska trwałość. DNA nanoszone metodą powlekania nie przetrwa prania, przez co pokrycie jest niepraktyczne w przypadku długotrwałego stosowania. Dodatkowo kosztowne metody fabrykacji odpowiednio czystego DNA oddala wizję szybkiego wprowadzenia produktu na rynek. Obecnie inżynierowie pracują nad innymi sposobami nanoszenia DNA, m.in. z użyciem techniki zol-żel oraz fotopolimeryzacji.
Źródło:
[1] DNA: a novel, green, natural flame retardant and suppressant for cotton. Jenny Alongi, Riccardo Andrea Carletto, Alessandro Di Blasio, Federico Carosio, Francesca Boscob and Giulio Malucelli. Mater. Chem. A, 2013,1, 4779-4785 DOI: 10.1039/C3TA00107E
[2] Phosphorus flame retardants: Properties, production, environmental occurrence, toxicity and analysis.Ike van der Veen, Jacob de Boer. Chemosphere
Volume 88, Issue 10, August 2012, Pages 1119–1153
[3] http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2013/TA/c3ta00107e [20.12.2013]
[4] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653512004353 [20.12.2013]
[5] http://www.wired.com/wiredscience/2013/03/fireproof-dna/ [20.12.2013]
[6] DNA Origami by Alex Bateman @sangerinstitute @emblebi by Duncan Hull, flickr.com, CC BY 2.0