莱斯大学与休斯顿大学的科学家通过引导细菌在定向对齐模式下生长纤维素，开发出一种高性能新型材料。这种纤维素片材兼具金属强度与塑料柔韧性，且零污染。利用旋转式生物反应器，研究人员将地球上最纯净的生物聚合物转化为塑料的高性能替代品，该材料可传导热量、整合先进纳米材料，并有望革新包装产业、电子设备乃至储能技术领域。
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任助理教授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，用于引导产纤维素细菌的运动，使其在生长过程中定向排列，"该研究第一作者、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，创造出一种强度堪比某些金属和玻璃，同时兼具柔韧性、可折叠性、透明度及环境友好性的材料。"
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，制备出拉伸强度高达436兆帕的片材。
此外，在合成过程中引入氮化硼纳米片后，形成的杂化材料强度进一步提升（约553兆帕），并改善了热性能——其散热速率比对照组样品快三倍。
"这种动态生物合成方法能制造出更强且功能更丰富的材料，"Saadi指出。"该技术可轻松将各种纳米级添加剂直接整合到细菌纤维素中，从而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在推进该研究的生物学方面发挥了重要作用。其他合作者包括：莱斯大学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。
"合成过程本质上如同训练一支纪律严明的细菌军团，"Saadi解释道。"我们并非让细菌随机移动，而是引导它们沿特定方向运动，从而精确调控其纤维素的生产方向。这种受控运动与生物合成技术的多功能性使我们能同步实现排列控制和多功能设计。"
这种可扩展的单步工艺在众多工业应用中前景广阔，包括结构材料、热管理解决方案、包装、纺织品、绿色电子及储能系统。
"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。"我们预见这些高强度、多功能且环保的细菌纤维素片材将无处不在，在各行业替代塑料，助力减轻环境损害。"
本研究获得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)及韦尔奇基金会(C-1668)支持。本文内容完全由作者负责，未必代表资助机构及单位的官方观点。