Ученые создали новый сверхматериал, способный изменить современное производство
Новая технология производства бактериальной целлюлозы может привести к созданию прочных многофункциональных материалов, способных заменить пластик.
Что если следующее поколение высокоэффективных материалов будет производиться не на заводе, заполненном пластиками на основе нефти, а из живых бактерий?
Ученые из Университета Райса и Университета Хьюстона разработали новый способ превращения бактериальной целлюлозы в сверхпрочный многофункциональный материал, который в конечном итоге может заменить пластик в самых разных изделиях, от упаковки до электроники. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, описывают масштабируемый производственный процесс, который направляет бактерии на создание высокоорганизованных целлюлозных структур с замечательной прочностью и теплоизоляционными характеристиками.
Пластиковые отходы остаются серьезной экологической проблемой, поскольку синтетические пластики постепенно распадаются на микропластик, который может выделять вредные вещества, такие как бисфенол А (BPA), фталаты и канцерогены. Чтобы найти более устойчивую альтернативу, команда под руководством Мухаммада Максуда Рахмана, доцента кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Хьюстонского университета и адъюнкт-доцента кафедры материаловедения и наноинженерии Университета Райса, сосредоточилась на бактериальной целлюлозе — одном из самых чистых и распространенных природных биополимеров на Земле.
«Наш подход заключался в разработке вращающегося биореактора, который направляет движение целлюлозообразующих бактерий, выравнивая их движение во время роста», — сказал М.А.С.Р. Саади, первый автор исследования и аспирант кафедры материаловедения и наноинженерии Университета Райса. «Это выравнивание значительно улучшает механические свойства микробной целлюлозы, создавая материал, по прочности сравнимый с некоторыми металлами и стеклом, но при этом гибкий, складной, прозрачный и экологически чистый».
Контроль движения бактерий для повышения прочности материала
Водоволокна бактериальной целлюлозы обычно растут в случайном порядке, что ограничивает их прочность и эксплуатационные характеристики. Используя контролируемую гидродинамику внутри специально разработанного биореактора, исследователи выравнивали нанофибриллы целлюлозы во время роста, получая листы с прочностью на растяжение до 436 мегапаскалей.
Команда также добавила нанолисты нитрида бора во время синтеза, создав гибридный материал с еще большей прочностью — около 553 мегапаскалей. Модифицированный материал также продемонстрировал улучшенные тепловые свойства, рассеивая тепло в три раза быстрее, чем контрольные образцы.
