În lupta globală împotriva poluării cu plastic, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Rice și Universitatea din Houston a realizat un progres revoluționar, dezvoltând o metodă inovatoare de a transforma celuloza bacteriană – unul dintre cei mai puri și mai abundenți biopolimeri de pe Pământ – într-un material multifuncțional cu o rezistență mecanică excepțională. Studiul, publicat în Nature Communications, deschide calea către o nouă generație de materiale sustenabile, capabile să înlocuiască plasticul în numeroase industrii.
Poluarea cu plastic a devenit o criză planetară, în mare parte deoarece polimerii sintetici tradiționali nu se degradează complet, ci se descompun în microplastice, eliberând în mediu substanțe chimice dăunătoare.
În acest context, echipa de cercetare, condusă de Muhammad Maksud Rahman, profesor la Universitatea din Houston, a căutat o alternativă biodegradabilă și a găsit-o în celuloza bacteriană. Aceasta este o formă extrem de pură de celuloză, produsă în mod natural de anumite bacterii, diferită de celuloza extrasă din plante.
Inovația: „Antrenarea” bacteriilor într-un bioreactor rotativ
Provocarea majoră a celulozei bacteriene a fost, până acum, structura sa. În mod natural, fibrele microscopice de celuloză pe care le produc bacteriile se așază într-o rețea aleatorie, ceea ce limitează considerabil rezistența mecanică a materialului final.
Aici intervine inovația echipei de cercetare. Ei au dezvoltat un bioreactor rotativ unic, care, prin controlul dinamicii fluidului, „antrenează” bacteriile producătoare de celuloză să se deplaseze într-o direcție specifică în timpul procesului de creștere.
„În loc să lăsăm bacteriile să se miște aleatoriu, le instruim să se deplaseze într-o direcție anume, aliniind astfel cu precizie producția lor de celuloză,” a explicat M.A.S.R. Saadi, autorul principal al studiului și doctorand la Rice.
Această aliniere a nanofibrilelor de celuloză în timp real, direct în timpul procesului de biosinteză, a dus la crearea unor folii de biopolimer cu proprietăți mecanice excepționale.
Materialul rezultat are o rezistență la tracțiune de până la 436 megapascali (MPa), comparabilă cu cea a unor metale precum aluminiul sau a anumitor tipuri de oțel, fiind în același timp flexibil, pliabil, transparent și complet biodegradabil.
Un material multifuncțional
Metoda permite, de asemenea, integrarea ușoară a unor aditivi la scară nanometrică direct în timpul procesului de sinteză, pentru a personaliza proprietățile materialului.
Prin încorporarea unor nanofoi de nitrură de bor, cercetătorii au creat un material hibrid cu o rezistență și mai mare – de circa 553 MPa – și cu proprietăți termice îmbunătățite, capabil să disipeze căldura de trei ori mai rapid decât mostrele de control.
„Această abordare a biosintezei dinamice permite crearea unor materiale mai puternice, cu o funcționalitate sporită,” a adăugat Saadi.
Acest proces scalabil, realizat într-un singur pas, deține un potențial imens pentru numeroase aplicații industriale, de la materiale structurale în construcții și soluții de management termic în electronică, la ambalaje biodegradabile, textile inovatoare și sisteme de stocare a energiei.
„Acest studiu este un exemplu excelent de cercetare interdisciplinară la intersecția dintre știința materialelor, biologie și nanoinginerie,” a concluzionat Rahman. „Ne imaginăm că aceste folii de celuloză bacteriană, puternice, multifuncționale și ecologice, vor deveni omniprezente, înlocuind plasticul în diverse industrii și ajutând la atenuarea daunelor aduse mediului.”
