Naukowcy z Uniwersytetu Rice oraz Uniwersytetu w Houston zaprezentowali nową metodę produkcji wysokowytrzymałego biomateriału opartego na celulozie bakteryjnej, który może stać się jedną z alternatyw dla tworzyw sztucznych produkowanych z ropy naftowej. Badanie opublikowane w Nature Communications w lipcu 2025 roku opisuje skalowalny proces biosyntezy, podczas którego bakterie tworzą strukturę materiału pod wpływem kontrolowanego przepływu cieczy, zamiast robić to w sposób chaotyczny, jak dzieje się zazwyczaj.
Pracami badawczymi kierował Muhammad Maqsood Rahman, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Aerokosmicznej Uniwersytetu w Houston, współpracujący z Uniwersytetem Rice. Głównym autorem artykułu jest doktorant z Rice, M.A.S.R. Saadi, a w projekcie uczestniczyli również Shayam Bhakta (Rice) oraz inżynierowie i materiałoznawcy: Pulickel Ajayan, Matthew Bennett, Matteo Pasquali i inni. Badania zostały sfinansowane przez szereg amerykańskich fundacji, w tym Narodową Fundację Nauki (NSF), Endowment for Forestry and Communities oraz Welch Foundation.
Na czym polega ta technologia
Zazwyczaj celuloza bakteryjna wzrasta jako luźna, nieuporządkowana sieć nanowłókien, co znacząco ogranicza jej wytrzymałość i odporność na obciążenia. W ramach nowego podejścia badacze opracowali obrotowy bioreaktor, w którym przepływ cieczy wyznacza kierunek ruchu bakterii Gluconacetobacter i, co za tym idzie, orientację wytwarzanych przez nie włókien.
Dzięki kontrolowanej hydrodynamice naukowcom udało się uzyskać gęste arkusze o strukturze uporządkowanej w jednym kierunku, których wytrzymałość na rozciąganie sięga około 436 megapaskali. W wersji hybrydowej, po wprowadzeniu nanoarkuszy azotku boru w fazie wzrostu, wytrzymałość materiału osiągnęła około 553 megapaskale, a jego przewodność cieplna była trzykrotnie wyższa niż w przypadku zwykłej celulozy bakteryjnej. Wszystko to odbywa się w jednym etapie, w temperaturze pokojowej, bez użycia toksycznych rozpuszczalników i naturalnych ograniczeń procesu fermentacji.
Ekologia, właściwości i potencjalne zastosowania
Bakteryjne tworzywo celulozowe pozostaje w pełni biodegradowalne i nie wymaga spalania ani recyklingu termochemicznego, typowego dla większości polimerów syntetycznych. Co więcej, technologia ta pozwala na wykorzystanie stosunkowo prostych pożywek, a w perspektywie także odpadów rolniczych jako bazy odżywczej do fermentacji, co wspiera ideę skalowalnej i taniej produkcji.
Naukowcy upatrują zastosowania nowego materiału w kilku obszarach:
- opakowania, gdzie biomateriał może zastąpić część jednorazowych folii i pudełek z plastiku;
- komponenty samochodowe i budowlane, wymagające dużej wytrzymałości przy zachowaniu lekkości;
- elementy termoregulacyjne, takie jak części odprowadzające ciepło z układów elektronicznych;
- tekstylia i zielona elektronika, w tym elastyczne ekrany i czujniki;
- systemy energetyczne i kompozyty, w których kluczowa jest wytrzymałość i odporność na obciążenia.
Ograniczenia i dlaczego to nie jest rewolucja od zaraz
Mimo ogromnego potencjału materiał ten nie jest jeszcze gotowy, by całkowicie wyprzeć tradycyjne tworzywa pod względem wolumenu produkcji czy kosztów. Wdrożenie na skalę przemysłową będzie wymagało:
- uruchomienia produkcji na wielką skalę;
- rozwiązania kwestii standaryzacji i uregulowań prawnych;
- potwierdzenia długofalowej niezawodności w warunkach klinicznych, motoryzacyjnych i przemysłowych.
Niemniej jednak zespół z Uniwersytetu Rice oraz Uniwersytetu w Houston postrzega tę technologię jako jedno z pierwszych rozwiązań, w których ekologia nie wymusza rezygnacji z wytrzymałości i stabilności. W nadchodzących latach badacze planują rozwijać linie pilotażowe wraz z partnerami przemysłowymi oraz analizować nowe modyfikacje materiału pod kątem specjalistycznych zastosowań.
