莱斯大学和休斯顿大学的科学家通过引导细菌在排列整齐的图案结构中生长纤维素，研发出一种强大新材料。该材料兼具金属强度和塑料柔韧性，且制备过程零污染。利用旋转式生物反应器，他们将地球上最纯净的生物聚合物转化为高性能塑料替代品，不仅能传导热量、集成先进纳米材料，还可变革包装、电子设备乃至能量存储领域。
塑料污染持续存在，因为传统的合成聚合物会降解成微塑料，释放出有害化学物质，如双酚A（BPA）、邻苯二甲酸盐和致癌物。为了寻求可持续替代品，由休斯顿大学机械与航空航天工程助理教授、莱斯大学材料科学与纳米工程兼职助理教授穆罕默德·马克苏德·拉赫曼（Muhammad Maksud Rahman）领导的研究团队，利用细菌纤维素（地球上最丰富、最纯净的生物聚合物之一）作为可生物降解的替代品。
“我们的方法涉及开发一种旋转生物反应器，它引导产纤维素细菌的运动，在生长过程中对齐它们的运动方向，”该研究的第一作者、莱斯大学材料科学与纳米工程博士生M.A.S.R.萨阿迪（M.A.S.R. Saadi）说。“这种排列显著增强了微生物纤维素的机械性能，制造出了一种与某些金属和玻璃一样坚固的材料，同时还兼具柔韧性、可折叠性、透明性和环境友好性。”
细菌纤维素纤维通常随机形成，这限制了其机械强度和功能性。通过在新型生物反应器中利用受控的流体动力学，研究人员实现了纤维素纳米纤维的原位排列，制造出的片材拉伸强度高达436兆帕（MPa）。
此外，在合成过程中加入氮化硼纳米片，产生了一种混合材料，其强度更高——约为553兆帕（MPa）——并且热性能得到改善，散热速率比对照样品快三倍。
“这种动态生物合成方法能够制造出更强、功能性更高的材料，”萨阿迪说。“该方法允许将各种纳米级添加剂直接轻松地整合到细菌纤维素中，从而可以根据特定应用定制材料性能。”
莱斯大学生物科学系博士后研究员希亚姆·巴克塔（Shyam Bhakta）在研究推进生物学方面发挥了重要作用。其他莱斯大学的合作者包括材料科学与纳米工程本杰明·M.和玛丽·格林伍德·安德森讲席教授普利克尔·阿贾扬（Pulickel Ajayan）；生物科学教授马修·贝内特（Matthew Bennett）；以及化学与生物分子工程A.J. 哈特苏克讲席教授马泰奥·帕斯夸利（Matteo Pasquali）。
“合成过程本质上就像训练一支纪律严明的细菌队伍，”萨阿迪解释道。“我们不是让细菌随机移动，而是引导它们朝特定方向移动，从而精确对齐其纤维素生产。这种受控的运动以及生物合成技术的多功能性使我们能够同时实现排列和多功能的工程化设计。”
这种可扩展的单步工艺在众多工业应用中具有巨大潜力，包括结构材料、热管理解决方案、包装、纺织品、绿色电子产品和储能系统。
“这项工作是材料科学、生物学和纳米工程交叉领域跨学科研究的一个绝佳范例，”拉赫曼补充道。“我们设想这些坚固、多功能且环保的细菌纤维素片将变得无处不在，在各个行业取代塑料，并帮助减轻环境损害。”
该研究得到了美国国家科学基金会（2234567）、美国林业与社区捐赠基金会（23-JV−11111129-042）和韦尔奇基金会（C-1668）的支持。本文内容仅由作者负责，不一定代表资助组织和机构的官方观点。