Ученые из Университета Райса и Университета Хьюстона разработали новый способ сделать бактериальную целлюлозу прочнее и универсальнее. Их исследование, опубликованное в Nature Communications, демонстрирует, как простой и масштабируемый процесс позволяет выровнять целлюлозные волокна в процессе их роста, создавая листы с впечатляющей прочностью и полезными свойствами.
Загрязнение пластиком является серьезной проблемой, поскольку синтетические полимеры распадаются на микропластик и выделяют вредные химические вещества, такие как бисфенол А (BPA), фталаты и канцерогены. Исследовательская группа под руководством Мухаммада Максуда Рахмана обратилась к бактериальной целлюлозе как к возможной альтернативе. Этот природный биополимер обилен, чист и биоразлагаем.
Бактериальная целлюлоза уже имеет прочные нанофибриллярные строительные блоки, но ее полный потенциал еще не реализован. Проблема в том, что волокна обычно формируются в случайных направлениях, что ослабляет материал. Еще одна сложность заключается в том, что другие нанонаполнители нелегко распределяются в плотной трехмерной сети целлюлозы.
Чтобы решить эту проблему, команда разработала ротационный биореактор, использующий поток жидкости для направления бактерий. «Наш подход заключался в разработке ротационного биореактора, который управляет движением бактерий, производящих целлюлозу, выравнивая их движение во время роста», — сказал М.А.С.Р. Саади, первый автор исследования и аспирант Университета Райса. «Это выравнивание значительно улучшает механические свойства микробной целлюлозы, создавая материал, столь же прочный, как некоторые металлы и стекла, но при этом гибкий, складной, прозрачный и экологически чистый».
Выровненные целлюлозные листы достигли предела прочности на разрыв около 436 мегапаскалей. Они также были гибкими, складными, прозрачными и стабильными с течением времени. Когда в питательную среду добавляли нанолисты нитрида бора, гибридный материал становился еще прочнее, достигая предела прочности на разрыв до 553 мегапаскалей. Он также демонстрировал лучшие термические характеристики, рассеивая тепло в три раза быстрее, чем контрольные образцы.
«Этот подход динамического биосинтеза позволяет создавать более прочные материалы с большими функциональными возможностями», — пояснил Саади. «Метод позволяет легко интегрировать различные наноразмерные добавки непосредственно в бактериальную целлюлозу, что делает возможным настройку свойств материала для конкретных применений».
Саади сравнил этот процесс с «тренировкой дисциплинированного бактериального когорты», заявив, что вместо случайного движения бактерии направляются двигаться в заданной плоскости, что выравнивает их производство целлюлозы.
Исследователи полагают, что эта одностадийная стратегия «снизу вверх» может быть масштабирована для промышленного использования. Потенциальные области применения включают упаковку, текстиль, конструкционные материалы, тепловое управление, зеленую электронику и хранение энергии.
«Эта работа — отличный пример междисциплинарных исследований на стыке материаловедения, биологии и наноинженерии», — сказал Рахман. «Мы предполагаем, что эти прочные, многофункциональные и экологически чистые листы бактериальной целлюлозы станут повсеместными, заменяя пластик в различных отраслях и помогая смягчить ущерб окружающей среде».
Решая давние проблемы выравнивания волокон и диффузии наполнителей, исследование показывает, как бактериальная целлюлоза может быть преобразована в прочный и адаптируемый материал, предлагая реалистичный путь к снижению зависимости от пластика.
Источник: Университет Райса
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
