Загрязнение пластиком сохраняется, поскольку традиционные синтетические полимеры разлагаются на микропластики, выделяя вредные химические вещества, такие как бисфенол А (BPA), фталаты и канцерогены. В поисках устойчивых альтернатив исследовательская группа под руководством Мухаммада Максуда Рахмана, доцента кафедры механики и аэрокосмической инженерии Хьюстонского университета и адъюнкт-профессора материаловедения и наноинженерии в Rice, использовала бактериальную целлюлозу - один из самых распространенных и чистых биополимеров на Земле - в качестве биоразлагаемой альтернативы.

"Наш подход включал разработку вращающегося биореактора, который направляет движение бактерий, продуцирующих целлюлозу, выравнивая их движение во время роста", - сказал М.А.С.Р. Саади, первый автор исследования и докторант в области материаловедения и наноинженерии в Rice. "Такое выравнивание значительно улучшает механические свойства микробной целлюлозы, создавая материал, столь же прочный, как некоторые металлы и стекло, но в то же время гибкий, складывающийся, прозрачный и безвредный для окружающей среды".

Волокна бактериальной целлюлозы обычно образуются случайным образом, что ограничивает их механическую прочность и функциональность. Используя управляемую гидродинамику в своем новом биореакторе, исследователи добились выравнивания нановолокон целлюлозы на месте, создав листы с пределом прочности при растяжении, достигающим 436 мегапаскалей.

Более того, включение нанолистов нитрида бора в процессе синтеза привело к получению гибридного материала с еще большей прочностью - около 553 мегапаскалей - и улучшенными тепловыми свойствами, демонстрируя скорость отвода тепла в три раза выше, чем у контрольных образцов.

"Этот подход к динамическому биосинтезу позволяет создавать более прочные материалы с большей функциональностью", - сказал Саади. "Этот метод позволяет легко интегрировать различные наноразмерные добавки непосредственно в бактериальную целлюлозу, что позволяет настраивать свойства материала для конкретных применений".

Шьям Бхакта, аспирант кафедры биологических наук в Rice, сыграл важную роль в продвижении биологических аспектов исследования. Среди других сотрудников Райс были Пуликель Аджаян, профессор материаловедения и наноинженерии Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон; Мэтью Беннетт, профессор биологических наук; и Маттео Паскуали, профессор химической и биомолекулярной инженерии А.Дж. Хартсука.

"Процесс синтеза, по сути, подобен обучению дисциплинированной группы бактерий", - объяснил Саади. "Вместо того, чтобы заставлять бактерии двигаться случайным образом, мы даем им команду двигаться в определенном направлении, таким образом точно выравнивая выработку целлюлозы. Это дисциплинированное движение и универсальность техники биосинтеза позволяют нам одновременно проектировать как выравнивание, так и многофункциональность".

Масштабируемый одноступенчатый процесс имеет значительные перспективы для многочисленных промышленных применений, включая конструкционные материалы, решения для терморегулирования, упаковку, текстиль, экологичную электронику и системы накопления энергии.

"Эта работа является прекрасным примером междисциплинарного исследования на стыке материаловедения, биологии и наноинженерии", - добавил Рахман. "Мы предполагаем, что эти прочные, многофункциональные и экологически чистые листы из бактериальной целлюлозы станут повсеместными, заменив пластмассы в различных отраслях промышленности и помогая снизить ущерб окружающей среде".

Исследование было поддержано Национальным научным фондом (2234567), Фондом лесного хозяйства и сообществ США (23-JV−11111129-042) и Фондом Уэлча (C-1668). Ответственность за содержание настоящего документа лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций и учреждений.