告别塑料？科学家研发出性能超越金属与玻璃的新型超材料

塑料污染持续存在，因为传统合成聚合物会降解为微塑料，释放出双酚A（BPA）、邻苯二甲酸盐和致癌物等有害化学物质。为寻求可持续替代方案，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，引导纤维素生产细菌的运动，在生长过程中对齐它们的运动，"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. Saadi说。"这种对齐显著增强了微生物纤维素的机械性能，创造出一种与某些金属和玻璃一样坚固的材料，同时具有柔韧性、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，这限制了它们的机械强度和功能性。通过利用新型生物反应器中的受控流体动力学，研究人员实现了纤维素纳米纤维的原位对齐，制造出拉伸强度高达436兆帕的片材。

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553兆帕——并改善了热性能，散热速度比对照样品快三倍。

"这种动态生物合成方法能够创造出具有更强功能的材料，"Saadi说。"该方法允许将各种纳米级添加剂直接整合到细菌纤维素中，从而可以根据特定应用定制材料特性。"

莱斯大学生物科学系的博士后Shyam Bhakta在研究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Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson教授Pulickel Ajayan；生物科学教授Matthew Bennett；以及化学与生物分子工程A.J. Hartsook教授Matteo Pasquali。

"合成过程本质上就像训练一支纪律严明的细菌队伍，"Saadi解释道。"我们不是让细菌随机移动，而是指导它们朝特定方向移动，从而精确对齐它们的纤维素生产。这种有序的运动和生物合成技术的多功能性使我们能够同时设计对齐和多功能性。"

这种可扩展的一步法工艺在众多工业应用中具有重大前景，包括结构材料、热管理解决方案、包装、纺织品、绿色电子和储能系统。

"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很好的例子，"Rahman补充道。"我们设想这些坚固、多功能且环保的细菌纤维素片材将无处不在，取代各个行业的塑料，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（23-JV−11111129-042）和韦尔奇基金会（C-1668）的支持。本文内容仅为作者的责任，并不一定代表资助组织和机构的官方观点。