科学家研制出性能优于金属和玻璃的新型超级材料

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材料。

"我们的方法涉及开发一种旋转生物反应器，引导产纤维素细菌的运动，使其在生长过程中排列整齐，"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表示。"这种排列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，同时又柔韧、可折叠、透明且环保的材料。"

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。通过在其新型生物反应器中利用受控流体动力学，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，产生了强度更高的混合材料——约553兆帕——并改善了热性能，其散热速率比对照样品快三倍。

"这种动态生物合成方法能够创造出更强、功能更丰富的材料，"Saadi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，从而可以针对特定应用定制材料性能。"

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

"合成过程本质上就像训练一支训练有素的细菌群，"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，从而精确排列其纤维素的生产。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典范，"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，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（23-JV−11111129-042）和韦尔奇基金会（C-1668）的支持。本文内容完全由作者负责，不一定代表资助组织和机构的官方观点。