Ученые создали новый сверхматериал на основе бактериальной целлюлозы вместо пластика

Ученые из Университета Райса и Университета Хьюстона представили инновационный способ получения сверхпрочного материала из бактериальной целлюлозы, который может стать экологичной альтернативой пластикам. Новый метод позволяет направлять рост бактерий для формирования упорядоченных структур с высокой прочностью и улучшенными тепловыми характеристиками.

Проблема пластиковых отходов остается острой из-за постепенного распада синтетического пластика на микрочастицы, выделяющие вредные вещества, такие как бисфенол А и фталаты. В поисках устойчивой замены команда под руководством Мухаммада Максуда Рахмана сосредоточилась на бактериальной целлюлозе — одном из самых чистых и распространенных природных биополимеров.

Управление движением бактерий для повышения прочности

Обычно волокна бактериальной целлюлозы растут хаотично, что ограничивает их механические свойства. Используя специально разработанный вращающийся биореактор, исследователи смогли направлять движение бактерий, выравнивая нанофибриллы целлюлозы во время роста. Это позволило получить листы с прочностью на разрыв до 436 мегапаскалей.

Дополнительное введение нанослоёв нитрида бора в процессе синтеза создало гибридный материал с прочностью около 553 мегапаскалей и улучшенными тепловыми свойствами — тепло рассеивается в три раза быстрее, чем у контрольных образцов.

Масштабируемый метод создания многофункциональных биоматериалов

По словам первого автора исследования М.А.С. Саади, процесс напоминает обучение дисциплинированного сообщества бактерий, которые вместо хаотичного движения направляются в определённом направлении для точного выравнивания целлюлозы. Такой подход позволяет одновременно формировать структуру и интегрировать разнообразные нанодобавки, адаптируя свойства материала под конкретные задачи.

Методика масштабируема и выполняется за один этап, что открывает перспективы применения в различных сферах: от строительных материалов и систем теплового управления до упаковки, текстиля, экологичной электроники и технологий хранения энергии.

Мухаммад Максуд Рахман отметил, что это исследование является примером междисциплинарной работы на стыке материаловедения, биологии и наноинженерии. Он выразил надежду, что прочные и экологичные листы бактериальной целлюлозы станут широко использоваться, заменяя пластик и снижая вред окружающей среде.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications 1 июля 2025 года под названием «Flow-induced 2D nanomaterials intercalated aligned bacterial cellulose» и поддержано Национальным научным фондом США, Фондом лесного хозяйства и сообществ, а также Фондом Уэлча.