Tehnoloģija, ar ko iegūst materiālu no baktēriju sintēzētiem celulozes šķiedriem, apvieno izturību, kas salīdzināma ar dažiem metāliem, ar augstu funkcionalitāti. Pēc autoru domām, tā var kļūt par nākamās paaudzes materiālu standartu, kas spēj aizstāt plastmasu.
Baktēriju celuloze ir bioloģiski noārdāma un izceļas ar augstu tīrību, kas to padara par ilgtspējīgu biomateriālu, taču tās jaunās šķiedras tradicionāli veidojas nejauši statiskās kultūrās, kas ierobežo tās ekspluatācijas īpašības.
Baktēriju celuloze: ilgtspējīgs biomateriāls
Baktēriju celuloze ir celulozes šķiedras veids, ko ražo daži mikroorganismi un kas izceļas ar tīrību un nanometru mikrostruktūru. Atšķirībā no augu celulozes, baktēriju celuloze izceļas ar izcilu tīrību, bioloģisko noārdīšanos un apvieno augstu mehānisko izturību ar bioloģisko saderību un optisko caurspīdīgumu. Pateicoties šīm īpašībām, tās izmantošana medicīniskajos materiālos (piemēram, caurspīdīgās brūču pārsējos) un funkcionālās plēvēs jau tiek pētīta. Tomēr tradicionālās kultivēšanas metodēs bez maisīšanas celulozes šķiedras aug haotiski, kas neļauj pilnībā realizēt to iekšējo izturību.
Rotējošais bioreaktors kontrolē biosintēzi
Pētījumā, kas publicēts žurnālā Nature Communications, Rice Universitātes un Hjūstonas Universitātes zinātnieku grupa detalizēti apraksta šī rotējošā bioreaktora izstrādi un jaunā baktēriju materiāla izcilās īpašības.
Pētījuma galvenā inovācija ir griežamā cilindriskā bioreaktora konstrukcija, kas virza barotnes plūsmu, lai izlīdzinātu celulozes veidojošo baktēriju daudzumu. Lēna skābekli caurlaidīga cilindra rotācija ar kultūras šķidrumu iekšā rada plūsmu, kas liek baktērijām augšanas laikā kustēties vienā virzienā. Tādējādi celulozes nanošķiedras nogulsnās paralēli viena otrai, veidojot izlīdzinātas loksnes ar uzlabotām īpašībām.
MASR Saadi, Rice Universitātes doktorants un pētījuma galvenais autors, paskaidroja: „Mūsu pieeja bija izstrādāt rotējošu bioreaktoru, kas virza celulozes ražojošo baktēriju kustību, izlīdzinot to kustību augšanas procesā. Šāda izlīdzināšana ievērojami uzlabo celulozes mehāniskās īpašības, rezultātā iegūstot materiālu, kura izturība ir salīdzināma ar dažu metālu un stikla izturību, bet vienlaikus tas ir pietiekami elastīgs un videi nekaitīgs.”
Izcila materiāla īpašības: izturība un elastība
Iegūtais materiāls ir baktēriju celulozes loksne, kam piemīt izcila izturība un elastība. Pateicoties šķiedru izlīdzināšanai, plīsumizturība sasniedz 436 MPa , kas ir vairāk nekā divas reizes pārsniedz rādītājus, kas iegūti, izmantojot tradicionālās statiskās kultūras. Ievērojami uzlabojušās arī citas mehāniskās īpašības: palielinājies elastības modulis un izturība, kas ļauj materiālam izturēt ilgstošu atkārtotu lietošanu, nesabojājoties.
Kopsavilkumā var teikt, ka šis biomateriāls ir:
Pārrāvuma izturība līdz 436 MPa (vairāk nekā divas reizes pārsniedz tradicionālās baktēriju celulozes izturību).
Pēc bora nitrīda pievienošanas izturība palielinās līdz ~ 553 MPa .
Augsta elastība un lieces spēja (optiski caurspīdīgs un elastīgs, līdzīgi dažiem plastmasas materiāliem).
Ilgtermiņa stabilitāte: saglabā formu un izturību pēc tūkstošiem slodzes ciklu.
Dabiska bioloģiskā noārdīšanās, kas novērš atkritumu palikšanu vidē.
Lai paplašinātu materiāla funkcionalitāti, pētnieki biosintēzes procesā vidē pievienoja boro nitrīda (BN) nanoloksnes. Šīs boro nitrīda loksnes tika vienmērīgi ievadītas celulozes matricā un fiziski savītas ar šķiedrām. Rezultātā tika iegūts hibrīds materiāls ar vēl augstāku izturību (līdz ~553 MPa) un uzlabotu siltuma izdalīšanos. Lāzera testi parādīja, ka hibrīda materiāla siltuma izdalīšanās ir trīs reizes augstāka nekā tīrai celulozai, kas paver iespējas lietojumiem, kur nepieciešama termoregulācija. Turklāt šis process ļāva integrēt NNB, neizjaucot šķiedru orientāciju, saglabājot materiāla caurspīdīgumu un elastību.
Potenciālie pielietojumi un nākotne
Aprakstītā tehnoloģija ir mērogojama un universāla , ļaujot biosintēzes procesā izmantot dažādus nanomateriālus. Piemēram, papildus BNNS, lai piešķirtu materiālam elektrovadītspēju, ugunsdrošību vai citas specifiskas īpašības, var izmantot grafēna nanodaļiņas, mālu vai citas piedevas. Vissvarīgākais aspekts ir tas, ka šis process ļauj vienā posmā sasniegt gan augstu izturību, izlīdzinot šķiedras, gan vēlamo funkcionalitāti.
Šī pieeja sola revolūciju daudzās rūpniecības nozarēs. Izlīdzinātie bakteriālās celulozes loksnes var atrast pielietojumu tādās jomās kā:
Konstrukcijas un celtniecības materiāli, kas aizstāj plastmasu vai pat vieglas metāla detaļas.
Temperatūras regulēšana elektroniskās ierīcēs vai radiatoros pateicoties uzlabotai augstai vadītspējai.
Ekoloģiska iepakojuma materiāli, kas nodrošina plastmasas izturību, neietekmējot vidi.
Progresīvi tekstilmateriāli un ekoloģiska elektronika, kur nepieciešams līdzsvars starp izturību un elastību.
Enerģijas uzkrāšanas sistēmas (akumulatori vai superkondensatori), izmantojot to mazo svaru un izturību.
Pētījuma autori uzsver, ka jaunie baktēriju slāņi galu galā var aizstāt plastmasu vairākās nozarēs. Lai gan liela mēroga ražošana vēl ir jāoptimizē, šī kontrolētas biosintēzes stratēģija paver daudzsološu ceļu uz bioloģiski noārdāmu un videi draudzīgu materiālu radīšanu, kas samazina plastmasas piesārņojumu.
