Wissenschaftler haben kürzlich in „Nature Communications“ eine Studie veröffentlicht, in der es heißt, dass ein Team der Rice University und der University of Houston in den USA bei der Produktion von Bakterienzellulose durch einen einfachen und skalierbaren Prozess eine gerichtete Faserausrichtung erreicht hat und so ein biobasiertes Material mit hoher Festigkeit und Vielseitigkeit hergestellt hat, das als vielversprechend gilt, um einige traditionelle Kunststoffe zu ersetzen.
Plastikverschmutzung ist seit langem ein globales Problem. Herkömmliche synthetische Polymere zerfallen in der Umwelt zu Mikroplastik und setzen schädliche Chemikalien wie Bisphenol A (BPA), Phthalate und einige Karzinogene frei. Zu diesem Zweck richtete das Forschungsteam um Mohammad Maqsood Rahman sein Augenmerk auf das natürliche Biopolymer-Bakterienzellulose, das reich an Quellen, von hoher Reinheit und biologisch abbaubar ist.
Studien haben gezeigt, dass Bakterienzellulose selbst aus nanoskaligen Fasern besteht und über eine hervorragende mechanische Grundlage verfügt. Aufgrund der ungeordneten Richtung der Fasern während des natürlichen Wachstumsprozesses wurde die Gesamtleistung jedoch nicht vollständig ausgeschöpft. Wenn andere Nanofüllstoffe in dieses dreidimensionale dichte Netzwerk eingebracht werden, treten außerdem Schwierigkeiten bei der Verteilung und Durchdringung auf, was die Erweiterung der Funktionen des Materials einschränkt. Um die oben genannten Probleme zu lösen, entwarf das Team einen rotierenden Bioreaktor, der die Bewegungsrichtung der Zellulose produzierenden Bakterien mithilfe von Flüssigkeitsbewegungen steuert, sodass sie während des Wachstumsprozesses „gezwungen werden, sich auszurichten“, wodurch ein gerichtetes Faserwachstum erreicht wird.
M.A.S.R. Saadi, der Erstautor der Arbeit und Doktorand an der Rice University, sagte, dass diese Methode dem „Training eines disziplinierten Teams von Bakterien“ gleichkommt und es den ursprünglich zufällig schwimmenden Bakterien ermöglicht, sich in eine festgelegte Richtung zu bewegen und dabei gezielt Zellulose zu produzieren. Durch diese dynamische Biosynthesestrategie weisen die von den Forschern hergestellten orientierten Bakterienzellulosefolien eine Zugfestigkeit von etwa 436 MPa auf, was in ihrer Festigkeit mit der Festigkeit einiger Metalle und Glas vergleichbar ist. Außerdem ist es flexibel, faltbar, transparent und umweltfreundlich.
In weiteren Experimenten fügte das Team hexagonale Bornitrid-Nanoblätter direkt der Nährlösung der Bakterienkultur hinzu, sodass sie während des Syntheseprozesses in situ in das Cellulosenetzwerk eingebaut werden konnten. Die Zugfestigkeit dieses Verbundwerkstoffs wurde auf maximal 553 MPa erhöht und auch seine thermische Leistung wurde deutlich verbessert. Die Wärmeleitfähigkeit ist etwa dreimal so hoch wie die der Kontrollprobe, was zu einer schnellen Wärmeableitung beiträgt. Die Forscher betonten, dass diese Methode die „Bodenintegration“ mehrerer Nanoadditive während der Materialerzeugungsphase erleichtert und mechanische, thermische und andere Eigenschaften entsprechend den Anwendungsanforderungen anpassen kann.
Das Team ist davon überzeugt, dass dieser einstufige, von unten nach oben gerichtete Herstellungsweg das Potenzial für eine industrielle Ausweitung hat. Dank der Vereinfachung des Prozesses und der breiten Palette an Materialquellen wird erwartet, dass es in Zukunft in den Bereichen Verpackung, Textilien, Strukturmaterialien, Wärmemanagement, umweltfreundliche elektronische Geräte und Energiespeicherung Anwendung findet. Rahman wies darauf hin, dass diese Arbeit die Leistungsfähigkeit der interdisziplinären Forschung in den Bereichen Materialwissenschaft, Biologie und Nanotechnik demonstriert, mit dem ultimativen Ziel, es dieser starken, multifunktionalen und umweltfreundlichen Folie aus bakterieller Zellulose zu ermöglichen, in verschiedenen Szenarien einige Kunststoffe zu ersetzen und Umweltschäden zu reduzieren.
Das Forschungsteam kam zu dem Schluss, dass dieser Prozess durch die Lösung der seit langem bestehenden Probleme der Faserorientierung und Füllstoffdiffusion, mit denen Bakterienzellulose zu kämpfen hat, die Tür zu leistungsstarken technischen Materialien für dieses natürliche Biopolymer öffnet. Sie glauben, dass dieses biologisch abbaubare, leistungsanpassungsfähige, biobasierte Material einen realistischen Weg zur Verringerung der Abhängigkeit von herkömmlichen Kunststoffen bietet und auch neue technologische Vorstellungen zur globalen Kontrolle der Plastikverschmutzung mit sich bringt.