Các nhà khoa học tại Đại học Rice và Đại học Houston đã phát triển một phương pháp mới để biến cellulose vi khuẩn thành vật liệu siêu bền, đa chức năng, cuối cùng có thể thay thế nhựa trong các sản phẩm từ bao bì đến thiết bị điện tử.
Nghiên cứu đăng trên Nature Communications mô tả quy trình sản xuất có thể mở rộng, hướng dẫn vi khuẩn xây dựng cấu trúc cellulose có tổ chức cao với độ bền và khả năng chịu nhiệt vượt trội.
Rác thải nhựa vẫn là vấn đề môi trường lớn bởi nhựa tổng hợp phân hủy dần thành vi nhựa, giải phóng các chất độc hại như BPA, phthalate và chất gây ung thư. Để tìm kiếm giải pháp thay thế bền vững, nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Muhammad Maksud Rahman dẫn đầu đã tập trung vào cellulose vi khuẩn – một trong những polymer sinh học tự nhiên tinh khiết và phong phú nhất trên Trái Đất.
“Cách tiếp cận của chúng tôi sử dụng một bình phản ứng quay có khả năng định hướng chuyển động của vi khuẩn sản xuất cellulose, căn chỉnh chuyển động của chúng trong quá trình phát triển,” M.A.S.R. Saadi, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Sự căn chỉnh này cải thiện đáng kể tính chất cơ học của cellulose vi sinh vật, tạo ra vật liệu bền như một số kim loại và thủy tinh nhưng vẫn dẻo, có thể gấp, trong suốt và thân thiện với môi trường.”
Điều khiển chuyển động của vi khuẩn để tăng độ bền
Sợi cellulose vi khuẩn thông thường phát triển theo dạng ngẫu nhiên, hạn chế độ bền. Sử dụng động lực học chất lỏng có kiểm soát bên trong bình phản ứng được thiết kế đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã căn chỉnh các cellulose sợi nano trong quá trình phát triển, tạo ra tấm vật liệu có độ bền kéo lên tới 436 megapascal, gấp 10 lần nhựa thường.
Nhóm nghiên cứu cũng thêm các tấm nano boron nitride trong quá trình tổng hợp, tạo ra vật liệu lai có độ bền cao hơn, khoảng 553 megapascal. Vật liệu cải tiến cũng cho thấy đặc tính nhiệt được cải thiện, tản nhiệt nhanh gấp ba lần so với mẫu đối chứng.
“Phương pháp sinh tổng hợp động lực học này cho phép tạo ra vật liệu bền hơn với chức năng cao hơn,” Saadi nói. “Phương pháp cho phép tích hợp dễ dàng nhiều loại phụ gia nano khác nhau trực tiếp vào cellulose vi khuẩn, giúp tùy chỉnh đặc tính vật liệu cho các ứng dụng cụ thể.”
Nền tảng có thể mở rộng cho vật liệu sinh học đa chức năng
“Quá trình tổng hợp về cơ bản giống như huấn luyện một tập đoàn vi khuẩn có kỷ luật,” Saadi giải thích. “Thay vì để vi khuẩn di chuyển ngẫu nhiên, chúng tôi hướng dẫn chúng di chuyển theo một hướng cụ thể, từ đó căn chỉnh chính xác sản phẩm cellulose của chúng. Chuyển động có kỷ luật này cho phép chúng tôi đồng thời tạo ra cả sự căn chỉnh lẫn tính đa chức năng.”
Do quy trình có thể mở rộng và hoàn thành trong một bước duy nhất, các nhà nghiên cứu tin rằng nó có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm vật liệu kết cấu, hệ thống quản lý nhiệt, bao bì, dệt may, thiết bị điện tử xanh và công nghệ lưu trữ năng lượng.
“Công trình này là một ví dụ tuyệt vời về nghiên cứu liên ngành ở giao điểm giữa khoa học vật liệu, sinh học và kỹ thuật nano,” Rahman cho biết thêm. “Chúng tôi hình dung những tấm cellulose vi khuẩn bền, đa chức năng và thân thiện với môi trường này sẽ trở nên phổ biến, thay thế nhựa trong nhiều ngành công nghiệp và giúp giảm thiểu thiệt hại cho môi trường.”
Tiến sĩ Maksud Rahman, giáo sư ngành kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học Houston, đã phát triển một phương pháp biến cellulose vi khuẩn – một loại vật liệu có khả năng phân hủy sinh học – thành vật liệu đa chức năng với tiềm năng thay thế nhựa. Ảnh: Đại học Houston
M.A.S.R. Saadi, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Rice, và Maksud Rahman, giáo sư tại Đại học Houston, đã dẫn dắt nhóm nghiên cứu phát triển một phương pháp tiếp cận sáng tạo, có khả năng mở rộng để chế tạo cellulose vi khuẩn thành vật liệu đa chức năng có độ bền cao. Ảnh: Đại học Rice
