Группа ученых из Университета Райса в Хьюстоне (штат Техас) и соседнего Хьюстонского университета разработала метод получения материала с удивительными свойствами из бактериальной целлюлозы. Он не только биоразлагаем, но и обладает прочностью на разрыв, сравнимой с прочностью металлов, оставаясь при этом гибким и прозрачным.
Изображение: Университет РайсаВ новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, описывается инновационный подход к производству высокопрочных многофункциональных материалов из бактериальной целлюлозы.
Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications. В работе описывается процесс, который мог бы решить главную проблему при производстве высокопроизводительных материалов из бактериальной целлюлозы (БЦ): случайное расположение нановолокон.
Бактериальная целлюлоза — химически чистое и перспективное, экологически чистое сырье. Однако его потенциал до сих пор не раскрыт в полной мере, поскольку нановолокна (которые производят бактерии) образуют неструктурированную, похожую на хлопчатобумажную сеть, что ограничивает механическую стабильность на макроуровне.
Именно здесь в игру вступают инновации команды под руководством профессора машиностроения Мухаммада Максуда Рахмана. Ученые разработали специальный вращающийся биореактор. В этом цилиндрическом контейнере волна создает постоянный поток питательной среды. Поток заставляет бактерии вида Novacitomonas hansenii двигаться в едином направлении.
Это позволяет бактериям выделять свои целлюлозные нановолокна ровным слоем. Вместо случайной сети возникает высокоупорядоченная структура.
«Вместо того чтобы позволять бактериям двигаться хаотично, мы даем им команду двигаться в определенном направлении», — объясняет докторант Университета Райса и ведущий автор исследования, сообщает Science Direct.
Механические измерения подтверждают успешность подхода. Изготовленные таким образом пленки имеют прочность на разрыв до 436 мегапаскалей. Это примерно на 137 процентов больше по сравнению со статически выращенной, невыровненной бактериальной целлюлозой и находится в диапазоне алюминиевых сплавов или стекла.
На следующем этапе исследователи интегрировали в материал двумерные нанослои нитрида бора. Вращение реактора обеспечивало равномерное распределение частиц. В результате получается гибридный материал с еще более высокой прочностью на разрыв — до 553 мегапаскалей.
У этого гибридного материала есть еще одно интересное свойство: он рассеивает тепло в три раза быстрее, чем чистая бактериальная целлюлоза, которая сама по себе уже проводит тепло лучше, чем многие обычные пластики. Это делает материал подходящим для использования в системах терморегулирования в гибких электронных компонентах, в упаковке, текстильных изделиях или в качестве конструкционного материала в облегченных конструкциях.
Главное преимущество метода заключается в том, что он осуществляется в рамках единого непрерывного процесса. Предыдущие подходы к выравниванию целлюлозных волокон часто требовали сложных этапов постобработки, таких как механическое растяжение материала, что несет риск повреждения и затрудняет масштабирование.
Однако на пути к промышленному применению метода еще остаются препятствия. Исследование демонстрирует успешный процесс в лабораторных масштабах. Пока неясно, можно ли экономически масштабировать метод до уровня массового производства. В частности, затраты на процесс выращивания, который в исследовании длился десять дней, вероятно, будут намного выше затрат на традиционное производство пластика.