Supermateriál z baktérií je pevnejší ako oceľ, priehľadný a pružný ako plast

V čase, keď svet čelí kríze spôsobenej plastovým znečistením, prichádzajú vedci z Rice University a University of Houston s radikálnym riešením. Vyvinuli nový "supermateriál" pestovaný baktériami, ktorý je pevný ako kov, pružný ako plast a úplne biologicky odbúrateľný. Základom tohto materiálu je bakteriálna celulóza, jeden z najrozšírenejších a najčistejších biopolymérov na Zemi, pričom inovácia nespočíva v objave samotnej látky, ale v novom spôsobe jej inžinierskeho spracovania.  

^{Zdroj Foto: Jorge Vidal/Rice University}

Problémom prirodzenej bakteriálnej celulózy je, že baktérie ju produkujú v náhodnej, spletenej štruktúre, čo obmedzuje jej celkovú pevnosť. Vedci tento problém vyriešili pomocou kľúčovej inovácie – rotačného bioreaktora. Toto zariadenie, v podstate rotujúca trubica s živným roztokom a baktériami druhu Novacitomonas hansenii, vytvára nepretržitý prúd tekutiny, ktorý generuje šmykové sily.  

Tieto sily fungujú ako prúd, ktorý "trénuje" baktérie, aby sa pohybovali v jednom špecifickom smere namiesto náhodného pohybu. Výsledkom je, že táto "disciplinovaná bakteriálna kohorta" ukladá celulózové nanovlákna v presne usporiadanom, paralelnom vzore. Toto usporiadanie umožňuje vznik extrémne pevných vodíkových väzieb medzi vláknami, čo vedie k vytvoreniu hustého a robustného materiálu, ako potvrdzujú aj snímky z elektrónového mikroskopu.  

Vlastnosti výsledného materiálu sú pozoruhodné. Dosahuje pevnosť v ťahu až 436 megapascalov (MPa), čo je porovnateľné s niektorými kovmi a sklami, a pritom zostáva pružný, skladateľný a priehľadný. Tento proces navyše umožňuje jednoduché pridávanie nanočastíc priamo počas rastu; pridaním nanovrstiev nitridu bóru do živného roztoku vedci vytvorili hybridný materiál s ešte vyššou pevnosťou (približne 553 MPa) a trojnásobne lepšou tepelnou vodivosťou, čo ho robí ideálnym pre aplikácie vyžadujúce odvod tepla.  

Skutočná inovácia tohto projektu nespočíva len v samotnom materiáli, ale predovšetkým vo výrobnom procese. Tým, že vedci navrhli proces, ktorý je od začiatku škálovateľný a využíva štandardné priemyselné bioreaktory a prirodzený "bottom-up" rast baktérií, vytvorili platformovú technológiu. Schopnosť vytvárať multifunkčné hybridy v jedinom kroku jednoduchým primiešaním nanočastíc do roztoku predstavuje obrovský skok v porovnaní s komplexnými a energeticky náročnými metódami.

Tento prístup, ktorý využíva a usmerňuje biologické procesy, by mohol predstavovať novú paradigmu pre výrobu pokročilých materiálov – udržateľnejšiu, lacnejšiu a efektívnejšiu, čím sa otvára cesta pre budúcnosť "živých tovární".   Potenciálne aplikácie tohto materiálu sú obrovské: od vysokopevnostných konštrukčných materiálov a pokročilých obalov, ktoré by mohli nahradiť plasty, až po textílie, zelenú elektroniku, riešenia pre tepelný manažment a systémy na ukladanie energie.

Víziou vedcov je, že tieto pevné, multifunkčné a ekologické fólie sa stanú všadeprítomnými, nahradia plasty v rôznych priemyselných odvetviach a pomôžu zmierniť environmentálne škody. Hoci cesta ku komercializácii si ešte vyžiada optimalizáciu výrobných procesov a znižovanie nákladov, tento výskum ukazuje, že riešenie jedného z najväčších problémov, ktoré si ľudstvo samo spôsobilo, môže prísť od jednej z najmenších a najstarších foriem života na Zemi.  

Zdroj: sciencedaily.com.

Zdroj Foto: depositphotos.com.

Zobrazit Galériu