Вчені створили біопластик з бактерій міцніший за метал

Науковці з Хьюстонського університету зробили значний крок у вирішенні однієї з найгостріших екологічних проблем сучасності. Вони створили листи бактеріальної целюлози, які поводяться як пластик, але при цьому залишаються міцними, прозорими, гнучкими та біорозкладними.

Ці матеріали можна використовувати для виготовлення упаковки, пляшок для води, електронних компонентів та медичних бинтів. Найвражаючіше те, що їх виробляють шляхом керування бактеріями, які самостійно будують матеріал нанонитка за нанониткою.

«Ми бачимо, як ці міцні, багатофункціональні та екологічно чисті листи бактеріальної целюлози стануть повсюдними, замінивши пластик у різних галузях промисловості та допомагаючи зменшити екологічну шкоду», — заявив Максуд Рахман, доцент Хьюстонського університету та старший автор нового дослідження, опублікованого в журналі Nature Communications.

Бактеріальна целюлоза є добре відомим біополімером, який виробляють певні мікроби, зокрема Novacetimonas hansenii. Цей матеріал цінується за свою чистоту, міцність та здатність до біорозкладання. Однак у природній формі він являє собою заплутану масу, оскільки його нановолокна орієнтовані хаотично, як спагеті, кинуті на тарілку. Така хаотичність негативно впливає на механічні властивості матеріалу.

Тому Рахман та його команда розробили спосіб керування бактеріями для формування впорядкованих структур, подібно до прядіння шовку. Їхнім рішенням став обертовий біореактор, який м'яко обертає наповнену рідиною трубку з киснелюбними бактеріями та поживними речовинами.

Всередині цього обертового циліндра бактерії підштовхуються круговим потоком рідини до руху по послідовних траєкторіях. Під час плавання вони виділяють целюлозу у вигляді вирівняних, паралельних ниток, які накопичуються на проникних для кисню стінках пристрою.

«Ми по суті керуємо бактеріями, щоб вони поводилися цілеспрямовано», — пояснив Рахман. «Замість хаотичного руху ми направляємо їхній рух, тому вони виробляють целюлозу організованим способом».

Результатом є лист матеріалу, який не лише біорозкладний, але й надзвичайно міцний. Згідно з дослідженням, ці вирівняні листи целюлози досягли міцності на розтяг 393 мегапаскалі, що порівнянно з деякими металами та значно вище за більшість пластиків.

Для порівняння, це більш ніж удвічі міцніше за звичайну бактеріальну целюлозу, виготовлену статичним бродінням. Це також більш ніж удвічі перевищує міцність вирівняних листів целюлози, виготовлених за допомогою методів постобробки, таких як розтягування, без потреби в додаткових кроках.

«Ми повідомляємо про просту, одноетапну та масштабовану стратегію знизу вгору», — сказав М.А.С.Р. Сааді, провідний автор дослідження та докторант Університету Райса. «Отримані листи бактеріальної целюлози демонструють високу міцність на розтяг, гнучкість, здатність до складання, оптичну прозорість та довготривалу механічну стабільність».

У стрес-тестах новий матеріал чинив опір розтріскуванню навіть після складання в літачок орігамі. Він зберігав свою форму та міцність навіть після 10 000 циклів механічного навантаження.

На відміну від багатьох біопластиків, які жертвують міцністю заради біорозкладності, ця целюлоза не йде на компроміси. «Це одночасне підвищення як міцності, так і в'язкості заслуговує на увагу», — зазначається в дослідженні, «оскільки ці властивості зазвичай вважаються взаємовиключними в матеріалознавстві».

Щоб надати матеріалу ще більшої універсальності, команда експериментувала з додаванням нанолистів гексагонального нітриду бору — наноскопічних пластівців керамічного матеріалу, відомого своєю виняткovou теплопровідністю та міцністю.

Вони просто змішали пластівці в середовище для росту бактерій. Обертання біореактора допомогло утримати частинки в суспензії та рівномірно розподілити їх. Коли бактерії виділяли целюлозу, нанолисти нітриду бору вбудовувалися в зростаючу структуру, створюючи гібридний матеріал з покращеними можливостями.

Ці листи бактеріальної целюлози з нітридом бору були ще міцнішими за звичайну вирівняну целюлозу, досягаючи міцності на розтяг до 451 мегапаскаля. Вони також набагато ефективніше розсіювали тепло, охолоджуючись утричі швидше за свої непокращені аналоги при впливі лазерного променя.

«Цей масштабований, одноетапний підхід до біовиготовлення прокладе шлях до застосування в конструкційних матеріалах, тепловому менеджменті, упаковці, текстилі, зеленій електроніці та накопиченні енергії», — заявив Рахман.

Попередні спроби вирівняти нановолокна целюлози покладалися на розтягування, електромагнітні поля або форми. Багато з цих методів пошкоджують структуру, вимагають кількох етапів або обмежують масштабованість. Те, що розробила команда Рахмана, відрізняється: це дешево, відтворювано та безперервно.

Метод команди також дозволяє інтеграцію інших наноматеріалів на місці без порушення мережі або потреби в додаткових розчинниках чи зв'язувальних речовинах. Це відкриває двері для розумної упаковки, провідного текстилю та біоелектроніки, виготовлених за допомогою того самого базового процесу.

Забруднення пластиком є однією з визначальних екологічних проблем нашого часу. Виробництво пластику перевищує 400 мільйонів метричних тонн на рік, і більшість з них потрапляє на звалища або в океан. Біорозкладні пластики існують, але багато з них все ще потребують промислового компостування, і лише деякі можуть зрівнятися з міцністю або універсальністю пластику на основі нафти.

Те, що робить бактеріальну целюлозу привабливою, це те, що вона вже біорозкладна в природних умовах і не залежить від викопного палива. І тепер, з додатковою міцністю та гнучкістю від методу Рахмана, вона нарешті може бути готовою для широкого використання.