改進(jìn)的細(xì)菌纖維素可助制造更堅(jiān)韌、更環(huán)保的日常用品。

隨著塑料廢棄物在全球范圍內(nèi)持續(xù)堆積，造成嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，研究人員正轉(zhuǎn)向自然界尋求可持續(xù)的解決方案。休斯頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程助理教授馬克蘇德·拉赫曼（Maksud Rahman）開發(fā)了一種創(chuàng)新方法，可將可生物降解的細(xì)菌纖維素轉(zhuǎn)化為一種用途廣泛、有望替代塑料的物質(zhì)。

這種材料應(yīng)用前景廣闊。它很快可能被用于制造一次性水瓶、環(huán)保包裝甚至傷口敷料等日常用品。所有這些應(yīng)用都依賴于細(xì)菌纖維素 —— 一種在環(huán)境中天然豐富且可生物降解的生物聚合物。

拉赫曼在《自然通訊》雜志上報(bào)告了他的研究成果，他表示：“我們設(shè)想這些堅(jiān)固、多功能且環(huán)保的細(xì)菌纖維素片材將無處不在，取代各行業(yè)的塑料，并幫助減輕環(huán)境損害。”

拉赫曼說：“我們報(bào)告了一種簡單、單步且可擴(kuò)展的自下而上策略，利用旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)裝置中流體流動產(chǎn)生的剪切力，生物合成出具有排列整齊納米纖維的堅(jiān)固細(xì)菌纖維素片材，以及基于細(xì)菌纖維素的多功能混合納米片材。所得的細(xì)菌纖維素片材展現(xiàn)出高拉伸強(qiáng)度、柔韌性、可折疊性、光學(xué)透明度和長期機(jī)械穩(wěn)定性。”萊斯大學(xué)（Rice University）博士生 M.A.S.R. Saadi 是該研究的第一作者，萊斯大學(xué)生物科學(xué)博士后 Shyam Bhakta 支持了生物學(xué)方面的實(shí)施。

利用納米技術(shù)增強(qiáng)性能

人們對石油基不可降解材料有害環(huán)境影響的日益擔(dān)憂，加劇了對可持續(xù)替代品（如天然或生物材料）的需求。細(xì)菌纖維素作為一種潛在的生物材料脫穎而出，它天然豐富、可生物降解且具有生物相容性。

為了增強(qiáng)纖維素的強(qiáng)度并賦予其更多功能，研究團(tuán)隊(duì)將氮化硼納米片加入到喂養(yǎng)細(xì)菌的液體中，從而制造出了細(xì)菌纖維素-氮化硼混合納米片材。這種混合材料具有更優(yōu)越的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度高達(dá)約 553 兆帕）和熱性能（散熱速率是普通樣本的三倍）。

拉赫曼說：“這種可擴(kuò)展、單步的生物制造方法能生產(chǎn)出排列整齊、堅(jiān)固且多功能的細(xì)菌纖維素片材，將為結(jié)構(gòu)材料、熱管理、包裝、紡織品、綠色電子和儲能等應(yīng)用鋪平道路。我們本質(zhì)上是引導(dǎo)細(xì)菌有目的地行動。我們不是讓它們隨機(jī)移動，而是引導(dǎo)它們的運(yùn)動方向，使它們以有序的方式生產(chǎn)纖維素。這種受控的行為，加上我們靈活的、結(jié)合了多種納米材料的生物合成方法，使我們能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)排列和多功能特性。”

拉赫曼所說的“引導(dǎo)運(yùn)動”是指旋轉(zhuǎn)。他引入了一種定制設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)裝置：在圓柱形透氧培養(yǎng)箱中培養(yǎng)產(chǎn)纖維素細(xì)菌，并通過中心軸持續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生定向流體流動。這種流動導(dǎo)致細(xì)菌進(jìn)行一致的定向移動。

拉赫曼說：“這顯著提高了大塊細(xì)菌纖維素片材中納米纖維的排列整齊度。這項(xiàng)工作堪稱材料科學(xué)、生物學(xué)和納米工程交叉領(lǐng)域的跨學(xué)科研究典范。”

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