Μια νεοαναπτυγμένη τεχνική παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης θα μπορούσε να οδηγήσει σε ισχυρά, πολυλειτουργικά υλικά ικανά να αντικαταστήσουν τα πλαστικά, σύμφωνα με άρθρο του SciTech Daily
Τι θα γινόταν αν η επόμενη γενιά υλικών υψηλής απόδοσης δεν προερχόταν από ένα εργοστάσιο γεμάτο πλαστικά βασισμένα στο πετρέλαιο, αλλά από ζωντανά βακτήρια;
Επιστήμονες στο Rice University και στο University of Houston έχουν αναπτύξει έναν νέο τρόπο να μετατρέπουν τη βακτηριακή κυτταρίνη σε ένα εξαιρετικά ισχυρό, πολυλειτουργικό υλικό που θα μπορούσε τελικά να αντικαταστήσει τα πλαστικά σε προϊόντα που κυμαίνονται από τη συσκευασία έως τα ηλεκτρονικά.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications, περιγράφουν μια κλιμακώσιμη διαδικασία παραγωγής που καθοδηγεί τα βακτήρια να χτίζουν εξαιρετικά οργανωμένες δομές κυτταρίνης με αξιοσημείωτη αντοχή και θερμική απόδοση.
Τα πλαστικά απόβλητα παραμένουν ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα, επειδή τα συνθετικά πλαστικά σταδιακά διασπώνται σε μικροπλαστικά που μπορούν να απελευθερώσουν επιβλαβείς ουσίες όπως δισφαινόλη Α (BPA), φθαλικές ενώσεις και καρκινογόνες ουσίες.
Για να εξερευνήσει μια πιο βιώσιμη εναλλακτική, η ομάδα με επικεφαλής τον Muhammad Maksud Rahman, επίκουρο καθηγητή μηχανολογίας και αεροδιαστημικής στο University of Houston και επισκέπτη επίκουρο καθηγητή επιστήμης υλικών και νανομηχανικής στο Rice University, εστίασε στη βακτηριακή κυτταρίνη, ένα από τα καθαρότερα και πιο άφθονα φυσικά βιοπολυμερή στη Γη.
«Η προσέγγισή μας περιλάμβανε την ανάπτυξη ενός περιστροφικού βιοαντιδραστήρα που κατευθύνει την κίνηση των βακτηρίων που παράγουν κυτταρίνη, ευθυγραμμίζοντας την κίνησή τους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης», δήλωσε ο M.A.S.R. Saadi, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης και διδακτορικός φοιτητής στην επιστήμη υλικών και νανομηχανική στο Rice.
«Αυτή η ευθυγράμμιση ενισχύει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες της μικροβιακής κυτταρίνης, δημιουργώντας ένα υλικό τόσο ισχυρό όσο ορισμένα μέταλλα και γυαλιά, αλλά ταυτόχρονα εύκαμπτο, διπλούμενο, διαφανές και φιλικό προς το περιβάλλον» συμπλήρωσε ο Saadi.
Έλεγχος της κίνησης των βακτηρίων για βελτίωση της αντοχής του υλικού
Οι ίνες βακτηριακής κυτταρίνης συνήθως αναπτύσσονται σε τυχαία μοτίβα, κάτι που περιορίζει την αντοχή και την απόδοσή τους.
Χρησιμοποιώντας ελεγχόμενη ρευστοδυναμική μέσα σε έναν ειδικά σχεδιασμένο βιοαντιδραστήρα, οι ερευνητές ευθυγράμμισαν τις νανοϊνίδες κυτταρίνης κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, παράγοντας φύλλα με αντοχή σε εφελκυσμό έως και 436 megapascals.
Η ομάδα πρόσθεσε επίσης νανοφύλλα νιτριδίου βορίου κατά τη σύνθεση, δημιουργώντας ένα υβριδικό υλικό με ακόμη μεγαλύτερη αντοχή περίπου 553 megapascals. Το τροποποιημένο υλικό έδειξε επίσης βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες, διαχέοντας τη θερμότητα τρεις φορές πιο γρήγορα από τα δείγματα ελέγχου.
«Αυτή η δυναμική βιοσύνθεση επιτρέπει τη δημιουργία ισχυρότερων υλικών με μεγαλύτερη λειτουργικότητα», είπε ο Saadi, και συμπλήρωσε ότι «Η μέθοδος επιτρέπει την εύκολη ενσωμάτωση διαφόρων νανοκλίμακας προσθέτων απευθείας στη βακτηριακή κυτταρίνη, καθιστώντας δυνατή την προσαρμογή των ιδιοτήτων του υλικού για συγκεκριμένες εφαρμογές».
Ο Shyam Bhakta από το Rice University συνέβαλε στις βιολογικές πτυχές της έρευνας. Άλλοι συνεργάτες περιλάμβαναν τους Pulickel Ajayan, Matthew Bennett και Matteo Pasquali.
Μια κλιμακώσιμη πλατφόρμα για πολυλειτουργικά βιοϋλικά
«Η διαδικασία σύνθεσης είναι ουσιαστικά σαν να εκπαιδεύεις μια πειθαρχημένη βακτηριακή ομάδα», εξήγησε ο Saadi.
«Αντί τα βακτήρια να κινούνται τυχαία, τα καθοδηγούμε να κινούνται σε συγκεκριμένη κατεύθυνση, ευθυγραμμίζοντας έτσι με ακρίβεια την παραγωγή κυτταρίνης τους. Αυτή η πειθαρχημένη κίνηση και η ευελιξία της βιοσύνθεσης μας επιτρέπουν να μηχανουργούμε ταυτόχρονα τόσο την ευθυγράμμιση όσο και την πολυλειτουργικότητα».
Επειδή η διαδικασία είναι κλιμακώσιμη και ολοκληρώνεται σε ένα μόνο βήμα, οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανιών. Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν δομικά υλικά, συστήματα θερμικής διαχείρισης, συσκευασία, υφάσματα, πράσινα ηλεκτρονικά και τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας.
«Αυτό το έργο είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα διεπιστημονικής έρευνας στο σταυροδρόμι της επιστήμης υλικών, της βιολογίας και της νανομηχανικής», πρόσθεσε ο Rahman.
«Οραματιζόμαστε αυτά τα ισχυρά, πολυλειτουργικά και φιλικά προς το περιβάλλον φύλλα βακτηριακής κυτταρίνης να γίνουν πανταχού παρόντα, αντικαθιστώντας τα πλαστικά σε διάφορες βιομηχανίες και συμβάλλοντας στη μείωση της περιβαλλοντικής ζημιάς» κατέληξε ο ίδιος.
(Αναφορά: “Flow-induced 2D nanomaterials intercalated aligned bacterial cellulose” από M.A.S.R. Saadi, Yufei Cui, Shyam P. Bhakta, Sakib Hassan, Vijay Harikrishnan, Ivan R. Siqueira, Matteo Pasquali, Matthew Bennett, Pulickel M. Ajayan και Muhammad M. Rahman, 1 Ιουλίου 2025, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-025-60242-1)
www.worldenergynews.gr
