Учёные создали суперматериал на основе бактериальной целлюлозы, который превосходит металлы и стекло

Новое исследование в Nature Communications сообщает о разработке инновационного, масштабируемого подхода для создания высокопрочных многофункциональных материалов из бактериальной целлюлозы. Фото: Хорхе Видал/Университет Райса

Учёные из Университета Райса и Хьюстонского университета разработали инновационный метод преобразования бактериальной целлюлозы в высокопрочные многофункциональные материалы. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, представляет технологию динамического биосинтеза, которая выравнивает волокна бактериальной целлюлозы в реальном времени, создавая прочные биополимерные листы с исключительными механическими свойствами.

Проблема пластикового загрязнения сохраняется, поскольку традиционные синтетические полимеры распадаются на микропластик, выделяя вредные химические вещества, такие как бисфенол А (BPA), фталаты и канцерогены. В поисках устойчивых альтернатив команда под руководством Мухаммада Максуда Рахмана, доцента механической и аэрокосмической инженерии в Хьюстонском университете, использовала бактериальную целлюлозу — один из самых распространённых и чистых биополимеров на Земле — в качестве биоразлагаемой альтернативы.

«Наш подход включал создание ротационного биореактора, который направляет движение целлюлозообразующих бактерий, выравнивая их движение во время роста», — пояснил М.А.С.Р. Саади, ведущий автор исследования и аспирант в области материаловедения и наноинженерии в Университете Райса. «Это выравнивание значительно улучшает механические свойства микробной целлюлозы, создавая материал, прочный, как некоторые металлы и стекло, но при этом гибкий, складной, прозрачный и экологически безопасный».

Обычно волокна бактериальной целлюлозы формируются хаотично, что ограничивает их механическую прочность и функциональность. Используя контролируемую гидродинамику в своём новом биореакторе, исследователи добились выравнивания целлюлозных нановолокон in situ, создав листы с пределом прочности на растяжение до 436 мегапаскалей.

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

«Этот метод динамического биосинтеза позволяет создавать более прочные материалы с расширенной функциональностью», — отметил Саади. «Метод позволяет легко интегрировать различные наноматериалы непосредственно в бактериальную целлюлозу, что делает возможным настройку свойств материала для конкретных применений».

Шьям Бхакта, постдокторант кафедры биологических наук Университета Райса, сыграл важную роль в развитии биологических аспектов исследования. Среди других участников проекта были Поликел Аджаян, профессор материаловедения и наноинженерии, Мэтью Беннетт, профессор биологических наук, и Маттео Паскуали, профессор химической и биомолекулярной инженерии.

«Процесс синтеза похож на тренировку дисциплинированной бактериальной группы», — объяснил Саади. «Вместо того чтобы позволять бактериям двигаться хаотично, мы направляем их движение в определённом направлении, точно выравнивая производство целлюлозы. Этот контролируемый процесс и универсальность метода биосинтеза позволяют нам одновременно управлять выравниванием и многофункциональностью».

Масштабируемый одноэтапный процесс имеет большой потенциал для различных промышленных применений, включая конструкционные материалы, решения для терморегулирования, упаковку, текстиль, экологичную электронику и системы хранения энергии.

«Эта работа — отличный пример междисциплинарных исследований на стыке материаловедения, биологии и наноинженерии», — добавил Рахман. «Мы представляем, что эти прочные, многофункциональные и экологически безопасные листы бактериальной целлюлозы станут повсеместными, заменяя пластик в различных отраслях 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). Содержание статьи является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Райса.