O tehnologie pentru producerea unui material din fibre de celuloză sintetizate de bacterii combină o rezistență comparabilă cu cea a unor metale cu o funcționalitate ridicată. Potrivit autorilor, acesta ar putea deveni standardul pentru materialele de nouă generație care vor înlocui plasticul.
Celuloza bacteriană este biodegradabilă și de înaltă puritate, ceea ce o face un biomaterial durabil, dar, în mod tradițional, nanofibrele sale se formau aleatoriu în culturi statice, limitându-i performanța.
Celuloza bacteriană: un biomaterial durabil
Celuloza bacteriană este un tip de fibre celulozice produse de anumite microorganisme, care se remarcă prin puritatea și microstructura nanometrică. Spre deosebire de celuloza vegetală, celuloza bacteriană este extrem de pură și biodegradabilă și combină rezistența mecanică ridicată cu biocompatibilitatea și transparența optică. Datorită acestor proprietăți, se studiază deja utilizarea sa în materiale medicale (cum ar fi pansamentele transparente pentru răni) și în filme funcționale. Cu toate acestea, în metodele tradiționale de cultivare fără agitare, fibrele de celuloză cresc dezordonat, ceea ce împiedică valorificarea deplină a rezistenței lor intrinseci.
Un bioreactor rotativ ghidează biosinteza
Un studiu publicat în Nature Communications de o echipă de la Rice University și Universitatea din Houston detaliază dezvoltarea acestui bioreactor rotativ și proprietățile remarcabile ale noului material bacterian.
Inovația cheie a studiului a fost proiectarea unui bioreactor cilindric rotativ care direcționează fluxul mediului de cultură pentru a alinia bacteriile producătoare de celuloză. Prin rotirea lentă a unui cilindru permeabil la oxigen cu lichidul de cultură în interior, se generează un curent care induce bacteriile să se deplaseze întotdeauna în aceeași direcție în timpul creșterii. În acest fel, nanofibrele de celuloză se depun ordonat în paralel, formând foi aliniate cu proprietăți îmbunătățite.
M.A.S.R. Saadi, doctorand la Rice University și primul autor al studiului, a explicat: „Abordarea noastră a implicat dezvoltarea unui biorector rotativ care dirijează mișcarea bacteriilor producătoare de celuloză, aliniindu-le deplasarea în timpul creșterii. Această aliniere îmbunătățește considerabil proprietățile mecanice ale celulozei, rezultând un material cu o rezistență comparabilă cu cea a unor metale și sticle, dar suficient de flexibil pentru a fi pliat și ecologic”.
Un material excepțional: rezistență și flexibilitate
Materialul rezultat este o lamă de celuloză bacteriană cu rezistență și flexibilitate extraordinare. Datorită alinierii fibrelor, rezistența la tracțiune a atins 436 MPa, mai mult decât dublul rezistenței obținute cu culturi statice convenționale. Alte proprietăți mecanice s-au îmbunătățit, de asemenea, în mod substanțial: modulul elastic și tenacitatea au crescut, ceea ce permite materialului să reziste la o utilizare repetată îndelungată fără a-și pierde integritatea.
Pe scurt, acest biomaterial prezintă:
Rezistență la tracțiune de până la 436 MPa (mai mult decât dublul celulozei bacteriene tradiționale).
Flexibilitate și capacitate de pliere ridicate (prezintă transparență optică și flexibilitate, similar cu unele materiale plastice).
Stabilitate pe termen lung: își menține forma și rezistența după mii de cicluri de încărcare.
Biodegradabilitate naturală, ceea ce previne persistența reziduurilor în mediu.
Pentru a extinde funcționalitatea materialului, cercetătorii au adăugat „nanofoi” de nitrură de bor (BNNS) în mediu în timpul biosintezei. Aceste foi de nitrură de bor s-au încorporat uniform în matricea de celuloză și s-au întrețesut fizic cu fibrele. Rezultatul a fost un material hibrid cu o rezistență și mai mare (până la ~553 MPa) și o disipare termică mai bună. Testele cu laser au arătat că disiparea căldurii materialului hibrid era de trei ori mai mare decât cea a celulozei pure, deschizând calea către aplicații care necesită control termic. În plus, procesul a reușit să integreze BNNS fără a întrerupe orientarea fibrelor, menținând transparența și flexibilitatea materialului.
Aplicații potențiale și viitor
Tehnica descrisă este scalabilă și versatilă, deoarece permite incorporarea diferitelor nanomateriale în momentul biosintezei. De exemplu, pe lângă BNNS, s-ar putea utiliza nanoparticule de grafen, argilă sau alți aditivi pentru a conferi materialului conductivitate electrică, rezistență la foc sau alte funcții specifice. Cel mai important este că procesul permite, într-o singură etapă, obținerea atât a rezistenței ridicate datorită alinierii fibrelor, cât și a funcționalității dorite.
Această abordare promite să revoluționeze multiple sectoare industriale. Folia de celuloză bacteriană aliniată ar putea fi utilizată în aplicații precum:
Materiale structurale și de construcție, înlocuind plasticul sau chiar componentele metalice ușoare.
Gestionarea termică în dispozitive electronice sau disipatoare de căldură, datorită conductivității ridicate îmbunătățite.
Ambalaje și ambalaje durabile, oferind rezistența plasticului fără impactul asupra mediului.
Textile avansate și electronice ecologice, unde este necesar un echilibru între rezistență și flexibilitate.
Sisteme de stocare a energiei (baterii sau supercondensatoare), profitând de greutatea redusă și robustețea acestora.
Autorii studiului subliniază că noile foi bacteriene ar putea ajunge să înlocuiască plasticul în diverse industrii. Deși este încă necesară optimizarea producției la scară largă, această strategie de biosinteză controlată reprezintă o cale promițătoare către materiale biodegradabile și ecologice care să atenueze poluarea cu plastic.
