Wetenschappers van Rice University en de Universiteit van Houston hebben een nieuwe productiemethode gepresenteerd voor een oersterk biomateriaal op basis van bacteriële cellulose, dat een serieus alternatief kan vormen voor petrochemische kunststoffen. Het onderzoek, dat in juli 2025 in Nature Communications werd gepubliceerd, beschrijft een schaalbare biosynthese waarbij bacteriën de structuur van het materiaal onder invloed van een vloeistofstroom opbouwen, in plaats van de gebruikelijke ongeorganiseerde groei.
Het project stond onder leiding van Muhammad Maqsood Rahman, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Houston, in samenwerking met Rice University. M.A.S.R. Saadi, een promovendus bij Rice, trad op als hoofdauteur van het artikel, terwijl ook ingenieurs en materiaalwetenschappers zoals Shajyam Bhakta, Pulickel Ajayan, Matthew Bennett en Matteo Pascali een bijdrage leverden. Het werk werd gefinancierd door diverse Amerikaanse fondsen, waaronder de National Science Foundation, de Endowment for Forestry and Communities en de Welch Foundation.
De werking van de technologie
Normaal gesproken groeit bacteriële cellulose als een losmazig, willekeurig georiënteerd netwerk van nanovezels, wat de sterkte en belastbaarheid beperkt. Bij de nieuwe aanpak ontwikkelden de onderzoekers een roterende bioreactor, waarin een vloeistofstroom de bewegingsrichting van de Gluconacetobacter-bacteriën bepaalt en daarmee ook de oriëntatie van de vezels die zij uitscheiden.
Dankzij deze gecontroleerde hydrodynamica slaagden de wetenschappers erin om dichte, eenzijdig uitgelijnde vellen te produceren met een treksterkte tot circa 436 megapascal. In een hybride variant, waarbij tijdens het groeiproces nanovellen van boornitride werden toegevoegd, steeg de sterkte naar ongeveer 553 megapascal en lag de thermische geleidbaarheid drie keer hoger dan bij gewone bacteriële cellulose. Dit proces vindt plaats in één stap bij kamertemperatuur, zonder gebruik van giftige oplosmiddelen of complexe fermentatieomstandigheden.
Duurzaamheid, eigenschappen en toepassingen
Dit bacteriële papierplastic blijft biologisch afbreekbaar en vereist geen verbranding of thermochemische verwerking, in tegenstelling tot de meeste synthetische polymeren. Bovendien maakt de technologie gebruik van relatief eenvoudige voedingsbodems en biedt het in de toekomst de mogelijkheid om landbouwafval als basis voor de fermentatie in te zetten, wat bijdraagt aan een schaalbare en kosteneffectieve productie.
De onderzoekers zien diverse toepassingsgebieden voor het nieuwe materiaal:
- verpakkingen, waar het een deel van de plastic wegwerpfolies en dozen kan vervangen;
- onderdelen voor de automobielsector en bouw, waar sterkte en een laag gewicht cruciaal zijn;
- warmteregulerende elementen, bijvoorbeeld voor de warmteafvoer in elektronica;
- textiel en groene elektronica, waaronder flexibele schermen en sensoren;
- energiesystemen en composieten, waarbij duurzaamheid en weerstand tegen belasting belangrijk zijn.
Beperkingen en de reden waarom een revolutie nog op zich laat wachten
Ondanks het grote potentieel is het materiaal nog niet klaar om traditionele plastics volledig te verdringen, zowel qua productievolume als qua kosten. Voor industriële implementatie is het noodzakelijk om:
- de productie op grote schaal op te zetten;
- vraagstukken rondom standaardisatie en regelgeving op te lossen;
- de betrouwbaarheid op lange termijn aan te tonen in klinische, industriële en automotive omgevingen.
Desondanks positioneert het team van Rice University en de Universiteit van Houston de technologie als een van de eerste waarbij duurzaamheid niet ten koste gaat van sterkte en stabiliteit. In de komende jaren zijn zij van plan om in samenwerking met industriële partners pilotlijnen op te zetten en nieuwe modificaties van het materiaal te onderzoeken voor gespecialiseerde toepassingsgebieden.
