Ученые недавно опубликовали исследование в «Nature Communications», в котором говорится, что команда из Университета Райса и Университета Хьюстона в США добилась направленного выравнивания волокон при производстве бактериальной целлюлозы с помощью простого и масштабируемого процесса, производя материал на биологической основе, обладающий одновременно высокой прочностью и универсальностью, который считается многообещающим для замены некоторых традиционных пластиков.
Пластиковое загрязнение уже давно стало глобальной проблемой. Обычные синтетические полимеры разлагаются в окружающей среде на микропластики и выделяют вредные химические вещества, такие как бисфенол А (BPA), фталаты и некоторые канцерогены. С этой целью исследовательская группа под руководством Мохаммада Максуда Рахмана обратила свое внимание на природный биополимер-бактериальную целлюлозу, которая богата источниками, отличается высокой чистотой и биоразлагаемостью.
Исследования показали, что бактериальная целлюлоза сама по себе состоит из наноразмерных волокон и имеет превосходную механическую основу. Однако из-за неупорядоченного направления волокон во время естественного процесса роста общая производительность не достигается в полной мере. Кроме того, когда в эту трехмерную плотную сетку вводятся другие нанонаполнители, они также сталкиваются с трудностями дисперсии и проникновения, что ограничивает расширение функций материала. Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, команда разработала вращающийся биореактор, который использует движение жидкости, чтобы направлять направление движения бактерий, производящих целлюлозу, так что они «заставляются выстраиваться в линию» во время процесса роста, тем самым достигая направленного роста волокон.
М.А.С.Р. Саади, первый автор статьи и аспирант Университета Райса, сказал, что этот метод эквивалентен «обучению дисциплинированной команды бактерий», позволяя изначально случайным плавающим бактериям двигаться в заданном направлении и направленно производить целлюлозу в процессе. Благодаря этой стратегии динамического биосинтеза листы ориентированной бактериальной целлюлозы, произведенные исследователями, имеют прочность на разрыв примерно 436 МПа, что сравнимо по прочности с некоторыми металлами и стеклом. Он также гибкий, складной, прозрачный и экологически чистый.
В дальнейших экспериментах команда добавила гексагональные нанолисты нитрида бора непосредственно в питательный раствор бактериальной культуры, что позволило им включиться в сетку целлюлозы in situ во время процесса синтеза. Предел прочности этого композитного материала был увеличен до максимального значения 553 МПа, а также значительно улучшены его тепловые характеристики. Теплопроводность примерно в три раза выше, чем у контрольного образца, что помогает быстро рассеивать тепло. Исследователи подчеркнули, что этот метод обеспечивает удобство «нижней интеграции» нескольких нанодобавок на этапе создания материала и позволяет адаптировать механические, термические и другие свойства в соответствии с требованиями применения.
Команда считает, что этот одноэтапный путь подготовки «снизу вверх» имеет потенциал для промышленного масштабирования. Ожидается, что благодаря упрощению процесса и широкому спектру источников материалов он будет применяться в области упаковки, текстиля, конструкционных материалов, управления температурным режимом, экологически чистых электронных устройств и хранения энергии. Рахман отметил, что эта работа демонстрирует силу междисциплинарных исследований в области материаловедения, биологии и наноинженерии, конечная цель которых — позволить этому прочному, многофункциональному и экологически чистому листу бактериальной целлюлозы заменить некоторые пластмассы в различных сценариях и уменьшить ущерб окружающей среде.
Исследовательская группа пришла к выводу, что, решая давние проблемы ориентации волокон и диффузии наполнителей, которые преследуют бактериальную целлюлозу, этот процесс открывает двери для создания высокоэффективных инженерных материалов для этого природного биополимера. Они считают, что этот биоразлагаемый материал на биологической основе с регулируемыми характеристиками открывает реалистичный путь к снижению зависимости от традиционных пластиков, а также привносит новое технологическое воображение в глобальный контроль загрязнения пластиком.