Naukowcy stworzyli bioplastik mocniejszy od stali. To rewolucja prawie na każdym kroku

Przełom w Rice University. Bakterie produkują materiał mocniejszy od stali

Nowy materiał powstaje w specjalnym bioreaktorze, gdzie bakterie produkują celulozę w kontrolowany sposób. Wyniki badań pokazują, że ten biologiczny proces może generować materiały o właściwościach mechanicznych przewyższających wiele tradycyjnych tworzyw sztucznych. Potencjalne zastosowania sięgają od zaawansowanej elektroniki po codzienne opakowania. Jak wyjaśniają sami zainteresowani, zaprojektowali biomateriał BCBN (celuloza bakteryjna-heksagonalny azotek boru), który może zastąpić tworzywa na bazie ropy naftowej. Kluczem do sukcesu okazał się obrotowy bioreaktor, który precyzyjnie kontroluje sposób, w jaki bakterie produkują celulozę.

Czytaj też: Kryształ czasu z gigantycznych atomów. Nowy stan materii stworzony przez naukowców

Członkowie zespołu badawczego dodają, że zamiast pozwalać bakteriom poruszać się losowo, poinstruowali je tak, aby poruszały się w określonym kierunku, precyzyjnie wyrównując w ten sposób produkcję celulozy. Ta kontrolowana metoda produkcji pozwala uzyskać materiał o wytrzymałości na rozciąganie do 436 megapaskali dla samej celulozy bakteryjnej. To wartość porównywalna ze stalą niskowęglową. Gdy naukowcy dodali do procesu heksagonalny azotek boru, wytrzymałość wzrosła jeszcze bardziej – do 553 megapaskali. Materiał wykazuje również elastyczność, składalność i przezroczystość. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod produkcji, nowa technologia nie wymaga dodatkowej obróbki, co znacznie obniża koszty i czas produkcji.

Wyjątkowe właściwości nowego biomateriału. Elastyczność, przezroczystość i odporność

Dane liczbowe pokazują skalę przełomu: rotacyjna celuloza bakteryjna osiąga o 137% wyższą wytrzymałość w porównaniu do materiału produkowanego metodą statyczną. Moduł Younga, który określa sztywność materiału, wzrósł o 96%, a udarność, czyli odporność na pękanie – o imponujące 166%. Materiał, o którym mowa, zachowuje swoje właściwości mechaniczne nawet po intensywnym użytkowaniu. Wytrzymałość na rozciąganie pozostaje na poziomie około 440 MPa po 10 000 cyklach obciążenia, co świadczy o jego wyjątkowej odporności na zmęczenie materiału. Ważną zaletą jest również lepsza stabilność termiczna. Kompozyt BCBN wytrzymuje temperatury do 300 stopni Celsjusza, w porównaniu do 275 stopni dla zwykłej celulozy bakteryjnej. Dodatkowo materiał rozprasza ciepło trzy razy szybciej niż standardowa celuloza bakteryjna, co otwiera możliwości zastosowania w elektronice.

Gęstość materiału wynosi około 1361 kg na metr sześcienny przy porowatości zaledwie 16%, co zapewnia optymalny stosunek wytrzymałości do masy. Potencjalne zastosowania obejmują elektronikę, systemy magazynowania energii, zarządzanie termiczne, materiały konstrukcyjne, opakowania i tekstylia. Szczególnie interesujące są możliwości w dziedzinie zielonej elektroniki, gdzie biodegradowalność materiałów staje się coraz ważniejsza. Jednostopniowy proces produkcji eliminuje potrzebę skomplikowanej obróbki, co czyni technologię skalowalną i ekonomicznie opłacalną. Naukowcy podkreślają, że ich metoda jest prostsza niż dotychczasowe sposoby wzmacniania bioplastików.

Czytaj też: Logika inżynierii materiałowej do kosza? Stworzyli wyjątkowy akumulator wbrew wszelkim zasadom

Nie powinna więc dziwić wizja snuta przez autorów tej koncepcji, sugerują, jakoby można było zastąpić tworzywa sztuczne w różnych gałęziach przemysłu, zmniejszając przy tym szkody środowiskowe. Badania opublikowane w Nature Communications pokazują, że rotacyjna celuloza bakteryjna osiągnęła najwyższą wytrzymałość na rozciąganie spośród wszystkich materiałów tego typu pozyskanych bezpośrednio z jednoetapowej produkcji. To może oznaczać początek nowej ery w produkcji materiałów przyjaznych środowisku, które nie ustępują właściwościami tradycyjnym tworzywom sztucznym.