科学家创造出有望替代塑料的新型超级材料

改进的细菌纤维素可助制造更坚韧、更环保的日常用品。

随着塑料废弃物在全球范围内持续堆积，造成严峻的环境挑战，研究人员正转向自然界寻求可持续的解决方案。休斯顿大学机械与航空航天工程助理教授马克苏德·拉赫曼（Maksud Rahman）开发了一种创新方法，可将可生物降解的细菌纤维素转化为一种用途广泛、有望替代塑料的物质。

这种材料应用前景广阔。它很快可能被用于制造一次性水瓶、环保包装甚至伤口敷料等日常用品。所有这些应用都依赖于细菌纤维素 —— 一种在环境中天然丰富且可生物降解的生物聚合物。

拉赫曼在《自然通讯》杂志上报告了他的研究成果，他表示：“我们设想这些坚固、多功能且环保的细菌纤维素片材将无处不在，取代各行业的塑料，并帮助减轻环境损害。”

拉赫曼说：“我们报告了一种简单、单步且可扩展的自下而上策略，利用旋转培养装置中流体流动产生的剪切力，生物合成出具有排列整齐纳米纤维的坚固细菌纤维素片材，以及基于细菌纤维素的多功能混合纳米片材。所得的细菌纤维素片材展现出高拉伸强度、柔韧性、可折叠性、光学透明度和长期机械稳定性。”莱斯大学（Rice University）博士生 M.A.S.R. Saadi 是该研究的第一作者，莱斯大学生物科学博士后 Shyam Bhakta 支持了生物学方面的实施。

利用纳米技术增强性能

人们对石油基不可降解材料有害环境影响的日益担忧，加剧了对可持续替代品（如天然或生物材料）的需求。细菌纤维素作为一种潜在的生物材料脱颖而出，它天然丰富、可生物降解且具有生物相容性。

为了增强纤维素的强度并赋予其更多功能，研究团队将氮化硼纳米片加入到喂养细菌的液体中，从而制造出了细菌纤维素-氮化硼混合纳米片材。这种混合材料具有更优越的机械性能（拉伸强度高达约 553 兆帕）和热性能（散热速率是普通样本的三倍）。

拉赫曼说：“这种可扩展、单步的生物制造方法能生产出排列整齐、坚固且多功能的细菌纤维素片材，将为结构材料、热管理、包装、纺织品、绿色电子和储能等应用铺平道路。我们本质上是引导细菌有目的地行动。我们不是让它们随机移动，而是引导它们的运动方向，使它们以有序的方式生产纤维素。这种受控的行为，加上我们灵活的、结合了多种纳米材料的生物合成方法，使我们能够同时实现材料的结构排列和多功能特性。”

拉赫曼所说的“引导运动”是指旋转。他引入了一种定制设计的旋转培养装置：在圆柱形透氧培养箱中培养产纤维素细菌，并通过中心轴持续旋转，从而产生定向流体流动。这种流动导致细菌进行一致的定向移动。

拉赫曼说：“这显著提高了大块细菌纤维素片材中纳米纤维的排列整齐度。这项工作堪称材料科学、生物学和纳米工程交叉领域的跨学科研究典范。”

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