Ein möglicher Plastikersatz könnte zu stärkeren und umweltfreundlicheren Materialien für den täglichen Gebrauch führen
Es hat das Potenzial, Ihre nächste Einweg-Wasserflasche zu werden, und noch vieles mehr
In einer Welt, die von Plastikmüll überschwemmt wird und unsägliche Umweltprobleme verursacht, hat Maksud Rahman, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Houston, einen Weg entwickelt, bakterielle Zellulose - ein biologisch abbaubares Material - in ein multifunktionales Material zu verwandeln, das das Potenzial hat, Plastik zu ersetzen.
Maksud Rahman, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Houston, hat eine Methode entwickelt, um bakterielle Zellulose - ein biologisch abbaubares Material - in ein multifunktionales Material zu verwandeln, das Kunststoff ersetzen könnte.
University of Houston
Ja, es hat das Potenzial, die nächste Einweg-Wasserflasche zu werden, und noch viel mehr, wie Verpackungsmaterial oder sogar Wundverbände - alles aus einem der reichlich vorhandenen und biologisch abbaubaren Biopolymere der Erde: bakterielle Zellulose.
"Wir stellen uns vor, dass diese starken, multifunktionalen und umweltfreundlichen Bakterienzelluloseblätter allgegenwärtig werden, Kunststoffe in verschiedenen Branchen ersetzen und dazu beitragen, Umweltschäden zu verringern", so Rahman, der seine Arbeit in Nature Communications veröffentlicht.
"Wir berichten über eine einfache, einstufige und skalierbare Bottom-up-Strategie zur Biosynthese von robusten bakteriellen Zelluloseblättern mit ausgerichteten Nanofibrillen und bakteriellen Zellulose-basierten multifunktionalen Hybrid-Nanoblättern unter Verwendung von Scherkräften aus dem Flüssigkeitsstrom in einer Rotationskulturvorrichtung. Die resultierenden bakteriellen Zelluloseschichten weisen eine hohe Zugfestigkeit, Flexibilität, Faltbarkeit, optische Transparenz und langfristige mechanische Stabilität auf", so Rahman. M.A.S.R. Saadi, Doktorandin an der Rice University, war Erstautorin der Studie, und Shyam Bhakta, Postdoktorand in Biowissenschaften an der Rice University, unterstützte die biologische Umsetzung.
Die wachsende Besorgnis über die schädlichen Auswirkungen von erdölbasierten, nicht abbaubaren Materialien auf die Umwelt hat die Nachfrage nach nachhaltigen Alternativen wie natürlichen oder Biomaterialien verstärkt. Bakterielle Zellulose hat sich als potenzielles Biomaterial erwiesen, das in der Natur reichlich vorhanden, biologisch abbaubar und biokompatibel ist.
Um die Zellulose zu stärken und die Funktionalität zu erhöhen, fügte das Team Bornitrid-Nanoblätter in die Flüssigkeit ein, mit der die Bakterien gefüttert werden, und stellte bakterielle Zellulose-Bornitrid-Hybrid-Nanoblätter mit noch besseren mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit bis zu 553 MPa) und thermischen Eigenschaften (dreimal schnellere Wärmeableitung im Vergleich zu Proben) her.
"Dieser skalierbare, einstufige Biofabrikationsansatz, der ausgerichtete, starke und multifunktionale bakterielle Zelluloseblätter hervorbringt, würde den Weg für Anwendungen in den Bereichen Strukturmaterialien, Wärmemanagement, Verpackung, Textilien, grüne Elektronik und Energiespeicherung ebnen", so Rahman. "Wir leiten die Bakterien im Wesentlichen dazu an, sich zielgerichtet zu verhalten. Anstatt sich wahllos zu bewegen, lenken wir ihre Bewegung, so dass sie auf organisierte Weise Zellulose produzieren. Dieses kontrollierte Verhalten, kombiniert mit unserer flexiblen Biosynthesemethode mit verschiedenen Nanomaterialien, ermöglicht es uns, gleichzeitig eine strukturelle Ausrichtung und multifunktionale Eigenschaften des Materials zu erreichen."
Und mit Bewegung meint Rahman das Drehen, indem er ein maßgeschneidertes Rotationskulturgerät vorstellt, in dem Zellulose produzierende Bakterien in einem zylindrischen, sauerstoffdurchlässigen Inkubator kultiviert werden, der mit Hilfe einer zentralen Welle kontinuierlich gedreht wird, um einen gerichteten Flüssigkeitsstrom zu erzeugen. Diese Strömung führt zu einer gleichmäßigen, gerichteten Bewegung der Bakterien.
"Das verbessert die Ausrichtung der Nanofibrillen in bakteriellen Zelluloseschichten erheblich", so Rahman. "Diese Arbeit ist ein Musterbeispiel für interdisziplinäre Wissenschaft an der Schnittstelle von Materialwissenschaft, Biologie und Nanotechnik."
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