Koniec ery plastiku? Naukowcy „tresują” bakterie, by tworzyły materiał przyszłości

Każdego roku produkujemy ponad 400 milionów ton plastiku. Ogromna część tych odpadów, które rozkładają się przez setki lat, trafia do naszych oceanów, gleby i, ostatecznie, do naszych organizmów. To jeden z najpoważniejszych kryzysów ekologicznych naszych czasów. Od lat naukowcy poszukują idealnego zamiennika: materiału, który byłby równie wytrzymały i wszechstronny co plastik, ale jednocześnie w pełni biodegradowalny.

Odpowiedź, jak to często bywa, podsuwa nam natura. Celuloza bakteryjna (BC) – biopolimer produkowany przez nieszkodliwe mikroorganizmy – jest naturalna, obfita i przyjazna dla środowiska. Dlaczego więc do tej pory nie zastąpiła plastiku? Z powodu swojej fundamentalnej słabości. Nowatorskie badanie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications przez zespół z University of Houston i Rice University, prezentuje genialne w swej prostocie rozwiązanie tego problemu, otwierając drzwi do ery superwytrzymałych, ekologicznych materiałów.

Wrodzona wada celulozy bakteryjnej: chaos w mikroskali

Wyobraźmy sobie celulozę bakteryjną jako strukturę zbudowaną z miliardów ultracienkich, ale niezwykle mocnych nitek – nanofibryli. Problem polega na tym, że w tradycyjnej metodzie hodowli bakterie produkują te nici w sposób chaotyczny. Tworzą one splątaną, losową sieć, przypominającą kłębek wełny. W takiej strukturze poszczególne włókna nie mogą efektywnie współpracować, by przenosić obciążenia, co sprawia, że cały materiał jest stosunkowo słaby – podobnie jak pojedynczy kłębek wełny, który łatwo rozerwać.

Przełom: jak „uczesać” nanowłókna za pomocą przepływu

Zespół pod kierownictwem prof. M. M. Rahmana postanowił „zaprowadzić porządek” w tym chaosie. Zamiast hodować bakterie w statycznym naczyniu, naukowcy zaprojektowali i zbudowali specjalne obrotowe urządzenie hodowlane.

To urządzenie działa jak wirówka w mikroskali. Ciągły, obrotowy ruch pożywki, w której żyją bakterie, generuje siły ścinające – stały, ukierunkowany przepływ cieczy. Ten przepływ zmusza bakterie do poruszania się w zorganizowany sposób. W rezultacie, produkując celulozę, układają one swoje nanofibryle w jednym, uporządkowanym kierunku. Zamiast chaotycznego kłębka wełny, powstaje struktura przypominająca idealnie zaczesane włosy lub pęk surowych nitek spaghetti – gdzie wszystkie włókna są do siebie równoległe.

Wynik: materiał mocniejszy od plastiku

To proste, jednoetapowe podejście przyniosło spektakularne rezultaty. Wyrównanie nanowłókien drastycznie poprawiło właściwości mechaniczne materiału.

Otrzymany arkusz celulozy jest nie tylko ponad dwukrotnie mocniejszy, ale także elastyczny, składalny (można z niego zrobić origami) i optycznie przezroczysty. Co kluczowe, cały proces jest prosty, skalowalny i nie wymaga żadnych dodatkowych, skomplikowanych etapów obróbki po zakończeniu hodowli.

Krok dalej: tworzenie wielofunkcyjnych materiałów hybrydowych

Metoda rotacyjna ma jeszcze jedną, niezwykłą zaletę: pozwala w prosty sposób wbudowywać w strukturę celulozy inne nanomateriały. Naukowcy dodali do pożywki nanopłytki azotku boru (BNNS) – dwuwymiarowego materiału o wyjątkowej wytrzymałości i doskonałej przewodności cieplnej.

Wirujący przepływ zapewnił równomierne rozprowadzenie tych nanopłytek w całej objętości rosnącej celulozy. W efekcie powstał hybrydowy materiał o jeszcze lepszych właściwościach:

• Jeszcze większa wytrzymałość: siła potrzebna do zerwania materiału wzrosła do ~553 MPa – wartości porównywalnej z niektórymi metalami.

• Doskonałe właściwości termiczne: materiał hybrydowy rozprasza ciepło trzy razy szybciej niż czysta celuloza, co czyni go idealnym kandydatem do zastosowań w elektronice, gdzie zarządzanie ciepłem jest kluczowe.

Wizja przyszłości: od butelek po zieloną elektronikę

Ta praca to kwintesencja interdyscyplinarnej nauki na styku inżynierii materiałowej, biologii i nanotechnologii. Prosta modyfikacja procesu biosyntezy pozwoliła stworzyć platformę do produkcji całej rodziny nowych, superwytrzymałych, ekologicznych i wielofunkcyjnych materiałów.

Potencjalne zastosowania są niemal nieograniczone: od biodegradowalnych opakowań i butelek, przez tekstylia i elastyczne opatrunki, aż po zaawansowane komponenty dla „zielonej” elektroniki i systemów magazynowania energii. Jak podsumowują autorzy, stoimy u progu ery, w której arkusze celulozy bakteryjnej, wzmocnione i wzbogacone dzięki tej metodzie, staną się powszechne, zastępując plastik i pomagając w walce z globalnym kryzysem ekologicznym.

Pomysł na doktorat

Tytuł rozprawy: „Programowalna biofabrykacja wielofunkcyjnych, anizotropowych kompozytów z celulozy bakteryjnej poprzez dynamiczne sterowanie wprowadzaniem nanomateriałów w przepływie obrotowym.”

Koncepcja: Obecne badanie pokazuje, że można dodać jeden typ nanomateriału na początku procesu. Doktorat mógłby pójść o krok dalej, badając możliwość tworzenia materiałów o strukturze gradientowej. Koncepcja polegałaby na modyfikacji urządzenia hodowlanego tak, aby pozwalało na wprowadzanie różnych typów nanomateriałów w różnych momentach kilkudniowego procesu wzrostu. Na przykład, przez pierwsze dni można by hodować czystą celulozę (warstwa bazowa), następnie wprowadzić na kilka dni nanopłytki grafenu (tworząc warstwę przewodzącą prąd), a na koniec dodać azotek boru (tworząc warstwę rozpraszającą ciepło). Pozwoliłoby to na tworzenie w jednym kroku złożonych, wielowarstwowych materiałów o zaprogramowanych z góry właściwościach, otwierając drogę do produkcji np. w pełni biodegradowalnych, elastycznych obwodów drukowanych.