Дослідники з Х’юстонського університету створили міцний, біорозкладний матеріал на основі бактеріальної целюлози, здатний замінити пластик.
Бактеріальна целюлоза: біоматеріал майбутнього
Команда під керівництвом Максуда Рахмана розробила нову форму бактеріальної целюлози, яка має властивості, схожі на пластик: вона прозора, гнучка, міцна і повністю біорозкладна. Унікальність розробки полягає в тому, що цей матеріал створюється самими бактеріями “по одній нанорозмірній нитці за раз”. Виробництво відбувається без використання нафти або хімічних полімерів, а тому є екологічно безпечним.
“Ми передбачаємо… замінять пластик у різних галузях промисловості та допоможуть зменшити шкоду, завдану довкіллю”, – зазначає Рахман у журналі Nature Communications. Біополімер вирощується мікроорганізмами Novacetimonas hansenii, відомими здатністю продукувати чисту й міцну целюлозу, але раніше її структура була хаотичною і слабкою.
Інженерія мікробів: як упорядкувати хаос
Щоб отримати упорядковану структуру, команда створила обертовий біореактор, де бактерії в контрольованому середовищі виділяють вирівняні паралельні волокна. “Ми змушуємо бактерії поводитися цілеспрямовано”, — підкреслює Рахман. Такий підхід забезпечує не лише стійкість, але й масштабованість, чого не вистачало попереднім технологіям, що використовували складні методи післяобробки.
Міцність отриманих листів досягає 393 мегапаскалів — більше, ніж у багатьох пластмас, і навіть порівнювана з металами. Це вдвічі перевищує міцність звичайної бактеріальної целюлози. Водночас матеріал зберігає гнучкість, прозорість і не тріскається навіть після 10 000 згинань, що демонструє “довготривалу механічну стабільність”, як зазначає провідний автор М.А.С.Р. Сааді.
Нанотехнології: поєднання з нітридом бору
Щоб розширити функціональність, команда додала до целюлози гексагональний нітрид бору — міцний наноматеріал з високою теплопровідністю. Його пластівці змішувалися з поживним середовищем, і під час біосинтезу вбудовувалися в целюлозну матрицю. Результатом стали гібридні листи BCBN, які мали ще більшу міцність — до 451 мегапаскалів — і втричі швидше розсіювали тепло під дією лазера.
“Цей масштабований, однокроковий підхід… прокладе шлях до застосування в конструкційних матеріалах, терморегулюванні, пакуванні, текстилі, зеленій електроніці та накопичувачах енергії”, — каже Рахман. Метод дозволяє безпечне інтегрування інших наноматеріалів без токсичних розчинників чи дорогих етапів обробки.
Екологічна альтернатива і перспективи масштабування
Забруднення пластиком перевищує 400 млн тонн щорічно, значна частина якого потрапляє в океани або лишається на звалищах. Бактеріальна целюлоза, яка розкладається природним шляхом і не потребує викопного палива, стає потенційною альтернативою. Важливо, що на відміну від багатьох біопластиків, цей матеріал не втрачає міцності заради екологічності.
Однак продуктивність досі залишається скромною — 7,5 мг на добу в поточній установці. Тому команда зосереджена на оптимізації масштабування, зважаючи на простоту конструкції біореактора. Пристрій є доступним, безпечним і не вимагає дорогих ресурсів, тому його можна застосовувати навіть у країнах з обмеженою інфраструктурою.
“Пластикова пляшка завтрашнього дня може з’явитися не на нафтопереробному… а в резервуарі з бактеріями, що обертаються”, — підсумовують автори. Ця технологія вказує на нову еру біоматеріалів, де мікроби стають фабриками, а матеріали — екологічно нейтральними вже з моменту створення.