Науковці з Університету Райса та Х'юстонського університету представили новий метод виробництва високоміцного біоматеріалу на основі бактеріальної целюлози, який може стати альтернативою нафтохімічним пластикам. Дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications у липні 2025 року, описує процес масштабованого біосинтезу, за якого бактерії «вибудовують» структуру матеріалу під контролем потоку рідини, а не хаотично, як у звичайних умовах.
Роботою керував Мухаммад Максуд Рахман, доцент кафедри механічної та аерокосмічної інженерії Х'юстонського університету, спільно з представниками Університету Райса. Провідним автором статті виступив аспірант Райса М.А.С.Р. Сааді, а в проєкті також брали участь Шайям Бхакта (Райс) та група інженерів і матеріалознавців, зокрема Пулікель Аджаян, Меттью Беннетт, Маттео Паскалі та інші. Фінансувала роботу низка американських фондів, серед яких Національний науковий фонд США, Endowment for Forestry and Communities та Welch Foundation.
Як влаштована технологія
Зазвичай бактеріальна целюлоза росте у формі пухкої, хаотично орієнтованої сітки нановолокон, що обмежує її міцність та стійкість до навантажень. У новому підході дослідники розробили біореактор, що обертається, в якому потік рідини задає напрямок руху бактерій Gluconacetobacter і, відповідно, орієнтацію волокон, які вони відкладають.
Завдяки контрольованій гідродинаміці вченим вдалося отримати щільні листи, вирівняні в одному напрямку, з межею міцності на розрив до приблизно 436 мегапаскалів. У гібридній версії, при введенні нанолистів нітриду бору в процесі росту, міцність досягала близько 553 мегапаскалів, а теплопровідність матеріалів утричі перевищувала показники звичайної бактеріальної целюлози. Усе це відбувається в один етап за кімнатної температури, без використання токсичних розчинників та особливих природних умов ферментації.
Екологічність, властивості та можливі сфери застосування
Бактеріальний «паперопласт» залишається повністю біорозкладним і не потребує спалювання чи термохімічної переробки, на відміну від більшості синтетичних полімерів. Крім того, технологія дозволяє використовувати відносно прості середовища, а в перспективі — і сільськогосподарські відходи як поживну базу для ферментації, що відкриває шлях до масштабованого та недорогого виробництва.
Вчені вбачають застосування нового матеріалу в кількох напрямках:
- упаковка, де він може замінити частину одноразових пластикових плівок та коробок;
- автомобільні та будівельні компоненти, де необхідні міцність та легкість;
- терморегулювальні елементи, наприклад, деталі для відведення тепла з електроніці;
- текстиль та «зелена» електроніка, включаючи гнучкі екрани та датчики;
- енергетичні системи та композити, де критично важливі міцність та стійкість до навантажень.
Обмеження та чому це не «революція завтра»
Попри значну перспективність, матеріал наразі не готовий повністю витіснити традиційні пластики ні за обсягами виробництва, ні за вартістю. Для промислового впровадження знадобиться:
- налагодити великомасштабне виробництво;
- вирішити питання стандартизації та нормативного регулювання;
- довести довгострокову надійність у клінічних, автомобільних та промислових умовах.
Менше з тим, команда Університету Райса та Х'юстонського університету позиціонує технологію як одну з перших, де екологічність не вимагає компромісів із міцністю та стабільністю. Найближчими роками вони планують розвивати пілотні лінії спільно з індустріальними партнерами, а також досліджувати нові модифікації матеріалу для спеціалізованих сфер використання.
