Forscher der Rice University und der University of Houston haben eine neue Methode zur Herstellung eines hochfesten Biomaterials auf Basis bakterieller Zellulose vorgestellt, das eine echte Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen darstellen könnte. Die im Juli 2025 in Nature Communications veröffentlichte Studie beschreibt eine skalierbare Biosynthese, bei der Bakterien die Struktur des Materials unter kontrollierter Flüssigkeitsströmung gezielt aufbauen, anstatt wie üblich chaotisch zu wachsen.
Geleitet wurde die Arbeit von Muhammad Maqsood Rahman, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Houston, in Kooperation mit der Rice University. Als Hauptautor fungierte der Rice-Doktorand M.A.S.R. Saadi; zum Team gehörten zudem Shyam Bhakta sowie die Ingenieure und Materialwissenschaftler Pulickel Ajayan, Matthew Bennett, Matteo Pasquali und weitere Experten. Unterstützt wurde das Projekt von verschiedenen US-Stiftungen, darunter die National Science Foundation, das Endowment for Forestry and Communities sowie die Welch Foundation.
Die Funktionsweise der Technologie
Üblicherweise wächst bakterielle Zellulose als lockeres, ungeordnetes Geflecht aus Nanofasern, was ihre Festigkeit und Belastbarkeit einschränkt. In ihrem neuen Ansatz entwickelten die Forscher einen rotierenden Bioreaktor, in dem eine gezielte Strömung die Bewegungsrichtung der Gluconacetobacter-Bakterien und damit die Ausrichtung der von ihnen abgelegten Fasern vorgibt.
Durch diese kontrollierte Hydrodynamik gelang es den Wissenschaftlern, dichte, einheitlich ausgerichtete Schichten mit einer Zugfestigkeit von bis zu etwa 436 Megapascal zu erzeugen. In einer Hybridversion, bei der während des Wachstums Bornitrid-Nanoblätter hinzugefügt wurden, erreichte die Festigkeit sogar rund 553 Megapascal, während die Wärmeleitfähigkeit des Materials das Dreifache gewöhnlicher bakterieller Zellulose betrug. Der gesamte Prozess erfolgt in einem einzigen Schritt bei Raumtemperatur, ohne den Einsatz giftiger Lösungsmittel oder spezieller Fermentationsbedingungen.
Umweltfreundlichkeit, Eigenschaften und Einsatzgebiete
Dieser bakterielle „Papierkunststoff“ bleibt biologisch abbaubar und erfordert keine Verbrennung oder thermochemische Behandlung, wie es bei den meisten synthetischen Polymeren der Fall ist. Zudem ermöglicht die Technologie die Nutzung relativ einfacher Nährmedien und perspektivisch sogar Agrarabfällen als Grundlage für die Fermentation, was ein skalierbares und kostengünstiges Produktionsmodell unterstützt.
Die Wissenschaftler sehen Einsatzmöglichkeiten für das neue Material in mehreren Bereichen:
- Verpackungen, wo es herkömmliche Einwegplastikfolien und Kartons teilweise ersetzen könnte;
- Automobil- und Baukomponenten, bei denen hohe Festigkeit und geringes Gewicht gefragt sind;
- wärmeregulierende Elemente, etwa zur Wärmeableitung in der Elektronik;
- Textilien und „grüne“ Elektronik, einschließlich flexibler Displays und Sensoren;
- Energiesysteme und Verbundwerkstoffe, bei denen Belastbarkeit und Stabilität entscheidend sind.
Herausforderungen: Warum die Revolution noch auf sich warten lässt
Trotz des großen Potenzials ist das Material derzeit noch nicht bereit, herkömmliche Kunststoffe in Bezug auf Volumen oder Kosten vollständig zu verdrängen. Für eine industrielle Umsetzung sind jedoch noch weitere Schritte erforderlich:
- Etablierung einer großflächigen Produktion;
- Klärung von Standardisierungs- und Regulierungsfragen;
- Nachweis der langfristigen Zuverlässigkeit im medizinischen, automobilen und industriellen Umfeld.
Dennoch sieht das Team der Rice University und der University of Houston in dieser Technologie einen der ersten Ansätze, bei dem Umweltfreundlichkeit nicht zu Lasten von Festigkeit und Stabilität geht. In den kommenden Jahren planen sie die Entwicklung von Pilotanlagen mit Industriepartnern sowie die Erforschung weiterer Modifikationen für spezialisierte Anwendungsgebiete.
