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细菌纤维素材料或成塑胶替代品

发布时间: 2025-08-07 11:18:28    最后更新: 2026-10-18 03:26:50    阅读:130  约6 分钟阅读     

塑胶终结者?细菌造出超级材料有望取代塑胶
近期,科学家合作利用细菌,成功研发一款超级材料,它不仅能够承载高热还能整合先进的奈米材料,有望取代塑胶成为包装、电子产品和储能领域的新宠儿。(Shutterstock)

【中国观察北京时间2025年08月07日讯】随着塑胶污染问题日益受到重视,人们开始寻求替代品。近期,科学家合作利用细菌,成功研发一款超级材料,它不仅能够承载高热还能整合先进的奈米材料,有望取代塑胶成为包装、电子产品和储能领域的新宠儿。

许多研究表明,塑胶再制过程中会产生污染,其降解时会释放出双酚A(BPA)等有害的致癌化学物质。当它分裂成塑胶微粒时,更会对人体、生物和环境造成多重伤害,包括心脏病、生育力降低、失智症、肝肾等相关疾病。

过去,有科学家想利用可生物降解的细菌纤维素,作为塑胶材料的替代品。然而,传统细菌纤维素的纤维通常是随机,这种无序性降低了其机械性能与稳定性,使其原本富有的潜力无法完全发挥出来。

莱斯大学(Rice University)和休斯顿大学(University of Houston)组成研究团队,透过一种动态生物合成技术,成功将细菌纤维素(BC)加工成一种高强度、多功能的创新材料。这种材料能够制成具有优异机械性能的聚合物薄片,有望作为现有塑胶的潜力替代品。

该团队开发一种新型的生物反应器,引导和调整生产纤维素的细菌,使它们朝着固定方向生产纤维素,让纤维素内部的纤维形成有序排列,达到增强材料整体的机械性能,最终形成一种性能足以媲美金属玻璃的坚固环保材料。

实验中,他们将含有细菌菌株Novacitomonas hansenii(ATCC 53582)的培养液体与营养物,一同放置在特制的旋转培养装置中。随后,启动全转装置让细菌得以在装置中,依照特定的方向生产出奈米细菌纤维素(BC)。

由于刚产出的奈米细菌纤维素(BC)是绿色带有杂质,需要先用浓度0.5M的氢氧化钠(NaOH)溶液清洗残留细菌,再用去离子水(DI)冲洗,最后放置室温干燥。干燥之后的细菌纤维素外观透明,且具有良好的柔韧性、可折叠性和长期机械稳定性。

研究人员透过X射线散射仪(WAXS)、原子力显微镜(AFM)等仪器,观察刚产出的纤维材料是否朝同一方向排列。结果显示,细菌纤维素内部的纤维,确实大致朝着特定方向均匀生长,且排列相当整齐。

另外,为了解纤维排列对机械强度的影响,研究人员比较了排列整齐的细菌纤维素与普通细菌纤维素。结果显示,排列整齐的BC薄片,其平均拉伸强度增加了137%,从原本的170兆帕(MPa)提升至423MPa。

研究人员也对两种材料进行剪切、形变、扭转(旋转)与抗疲劳性等多项测试。结果显示,排列整齐的细菌纤维素薄片在多数性能上,均要优异于普通细菌纤维素。他们将细菌纤维素性能的提升,归功于纤维密度增加、整齐排列有关。

此外,他们将排列整齐的细菌纤维素薄片,与不同的合成材料、合金、纯金属、天然材料以及其它复合材料等进行比较。结果显示,该种细菌纤维素薄片的机械强度,甚至超过大多数的金属、合金和玻璃。

研究人员在细菌纤维素薄片合成时,加入氮化硼奈米片(BNNS)形成细菌纤维素-氮化硼杂化奈米片(BCBN),并对BCBN材料进行耐热、剪切、形变、扭转与抗疲劳性等多项测试,再与前述两种纤维素材料进行比较。

结果显示,BCBN材料的散热速度是普通样品的三倍,耐热能力提升至300°C,抗拉伸强度与抗扭转能力均提升至553MPa,而强度和韧性强度也得到大幅度提升,且其它方面的表现大多数均优异于前面两种材料。

研究人员表示,这种生物制造方法制备出的细菌纤维素片,兼具永续性和高度可扩展性的优势(能加入其它奈米片),因此未来有望取代塑胶,成为结构材料、热管理、包装、纺织品、绿色电子和储能等领域的主流材料。

该研究的第一作者、莱斯大学材料科学与奈米工程博士生M.A.S.R.萨迪(M.A.S.R Saadi)对该校新闻室表示,“我们透过这种动态生物合成方法,创造出更好、强度更高的材料。该方法还可以轻松的将各种奈米级添加剂,直接整合到细菌纤维素中,定制出一些具有特定功能的材料。”

萨迪解释,“我们不让细菌随机移动,引导它们朝着特定方向移动,从而精确调整它们生成的纤维素。这种有规律的运动和生物合成技术,能够使我们同时进行设计与排列,赋予材料拥有更多功能性。”

该篇研究通讯作者、莱斯大学材料与奈米工程助理教授穆罕默德‧马克苏德‧拉赫曼(Muhammad Maksud Rahman)则表示,“我们设想这些坚固、多功能且具环保特性的细菌纤维素薄片,将取代各行各业的塑料,从而达到减轻环境破坏的目标。”

这项研究结果于7月初发表在《自然通讯》杂志上,并获得30多家媒体关注与报导。该研究获得美国国家科学基金会(2234567)、美国林业与社区基金会(23-JV-11111129-042)和韦尔奇基金会(C-1668)资助。

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