莱斯大学团队开发旋转诱导策略，构建高性能细菌纤维素复合膜材料

塑料是现代社会中不可或缺的基础材料之一，广泛用于包装、医疗、电子等领域。然而，其难以降解、易造成污染的特性，使塑料废弃物的回收和处理成为全球性难题。尤其是一次性塑料制品的大量使用，正成为微塑料污染的主要来源，威胁生态环境与人类健康。

在该背景下，细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）因具备可再生、生物可降解、高强度和良好透明度等优点，被视为替代传统塑料的理想材料，它由醋酸杆菌等好氧细菌合成，具有纳米纤维结构，适用于包装材料、可穿戴设备和生物医用产品等多个领域。

但是，目前通过静置或搅拌培养获得的 BC 膜多为无序结构，力学性能与透明度难以兼顾，也限制了其应用的拓展，为解决这一瓶颈，近日美国莱斯大学 Muhammad Rahman 教授团队在 Nature Communications 期刊发表了一篇题为“Flow-induced 2D nanomaterials intercalated aligned bacterial cellulose”的研究。该团队提出了一种旋转诱导纤维素排列的新策略，成功制备出高排列度、机械优异的细菌纤维素薄膜制备，有望成为新一代绿色塑料替代品。

该策略的核心即构建一个带有旋转底板的发酵反应器，控制培养容器持续以稳定速度旋转，从而在液体中产生稳态剪切力场，并诱导纤维素合成细菌沿着旋转方向移动并沉积纳米纤维。

通过这一过程，团队在无需额外支撑物或模板的条件下，成功获得结构紧密、取向一致、光学透明、柔韧性良好的细菌纤维素膜（BC 膜），并可在纳米尺度上精确调控纤维排列密度与方向。

随后，研究人员对旋转培养细菌纤维素（BC）片进行了性能测试，发现其在各方面的指标都显著增强。如力学性能上得到了大幅提升，其拉伸强度达到 393.3 MPa，较静置培养提高约 137%；杨氏模量提升 96%，达 32.6 GPa；破断能量提升至 475.2 MJ/m³，几乎是对照组的 2.7 倍。同时，该膜具备优良的可折叠性与疲劳稳定性，在 50±30 MPa 的条件下连续加载 10000 次后，力学性能仍能保持稳定，未见结构损伤。研究人员表示，这些性能提升的原因主要源于纤维取向带来的载荷传递效率提高以及纤维间氢键网络更加致密等。

更具突破性的是，这项技术不仅能制造出结构有序的细菌纤维素膜，还可以同时将功能性纳米材料掺杂进膜中，赋予材料更多性能。研究团队在培养液中加入了一种具有优异热导性能的二维材料——六方氮化硼纳米片（BNNS）。这些纳米片就像一片片极薄的纸，被均匀地分散在液体中。随着培养装置旋转产生的剪切力持续作用，这些纳米片会随着细菌分泌的纤维素被带入网络结构中，最终嵌入到 BC 膜的纳米纤维之间。

最终，利用该方法制备出的 BC-BNNS 复合膜厚度大约为 10 微米，显微镜观察发现，其整体呈现出纳米纤维与纳米片相互交织的 1D-2D 网络结构，其中一部分氮化硼片层轻微暴露于表面，有助于热量传导和散发。

这种生产方式不仅简洁高效，而且对材料性能提升明显，在机械测试中，BC-BNNS 复合膜的拉伸强度提高到了 451 兆帕，远高于未掺杂的 BC 膜，同时具备更高的杨氏模量。

除了力学性能外，复合膜的热性能也有明显改善。实验中，研究人员用强光激光照射膜的表面，模拟电子器件运行时的发热场景。结果发现，在相同照射条件下，BC-BNNS 膜的表面温度比普通 BC 膜低了将近 40℃，说明其具备更好的散热能力。热成像进一步显示，这种复合膜在激光关闭后的冷却速度也更快，是普通 BC 膜的 3 倍，说明热量在膜中扩散得更快更均匀，这一特性对于该材料未来应用于手机、穿戴设备等热敏材料封装等具有重要意义。

总之，该研究提出了一种简洁有效的策略，在液体培养体系中通过流体剪切力诱导实现了细菌纤维素的高度有序排列，并在此基础上原位引入二维功能材料，构建出具有优异力学与热性能的杂化膜结构，该方法无需复杂后处理，具备良好的可控性和扩展性，为细菌纤维素材料的结构调控和性能拓展提供了新思路。相信未来，这类复合膜有望在包装、热管理、柔性电子等场景中展现更加广阔的应用潜力。

参考文献：

1、Saadi, M., Cui, Y., Bhakta, S.P. et al. Flow-induced 2D nanomaterials intercalated aligned bacterial cellulose. Nat Commun 16, 5825 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60242-1

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