Abschied vom Plastik: Wissenschaftler entwickeln Supermaterial, das moderne Fertigung revolutionieren könnte

Ihre Ergebnisse, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, beschreiben einen skalierbaren Herstellungsprozess, der Bakterien anleitet, hochgeordnete Zellulosestrukturen mit bemerkenswerter Festigkeit und hervorragender thermischer Leistung aufzubauen.

Kunststoffabfälle bleiben ein schwerwiegendes Umweltproblem, da synthetische Kunststoffe sich allmählich in Mikroplastik zersetzen, das schädliche Substanzen wie Bisphenol A (BPA), Phthalate und Karzinogene freisetzen kann.

Um eine nachhaltigere Alternative zu erforschen, konzentrierte sich das Team unter der Leitung, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Houston und Adjunct Assistant Professor für Materialwissenschaft und Nanoengineering an der Rice University, auf bakterielle Zellulose, eines der reinsten und reichlichsten natürlichen Biopolymere auf der Erde. „Unser Ansatz umfasste die Entwicklung eines rotierenden Bioreaktors, der die Bewegung deren Bewegung während des Wachstums ausrichtet", sagte M.A.S.R.

Was die Studie zeigt

Saadi, Erster Autor der Studie und Doktorand für Materialwissenschaft und Nanoengineering an der Rice. Diese Ausrichtung verbessert die mechanischen Eigenschaften erzeugt ein Material, das so stark wie einige Metalle und Gläser ist, gleichzeitig jedoch flexibel, faltbar, transparent und umweltfreundlich.

Kontrolle der Bakterienbewegung zur Steigerung der Materialfestigkeit Bakterielle Zellulosefasern wachsen normalerweise in zufälligen Mustern, was ihre Festigkeit und Leistungsfähigkeit einschränkt.

Durch die Anwendung kontrollierter Strömungsmechanik innerhalb eines speziell entwickelten Bioreaktors richteten die Forscher die Zellulosenanofibrillen während des Wachstums aus und erzeugten Folien mit Zugfestigkeiten 436 Megapascal.

Technik, Energie und Einsatz

Das Team fügte zudem während der Synthese Bor-Nitrid-Nanoschichten hinzu, wodurch ein Hybridmaterial mit noch höherer Festigkeit 553 Megapascal entstand. Das modifizierte Material wies ebenfalls verbesserte thermische Eigenschaften auf und dissipierte Wärme dreimal schneller als die Kontrollproben.

Wissenschaftler der Rice University und der University of Houston haben einen innovativen, skalierbaren Ansatz entwickelt, um bakterielle Zellulose in hochfeste, multifunktionale Materialien zu verarbeiten.

Bildnachweis: Video /Rice University „Dieser dynamische Biosynthese-Ansatz ermöglicht die Herstellung festerer Materialien mit höherer Funktionalität", sagte Saadi. „Die Methode erlaubt die einfache Integration verschiedener nanoskaliger Additive direkt in die bakterielle Zellulose, wodurch eine Anpassung der Materialeigenschaften für spezifische Anwendungen möglich wird." Shyam Bhakta zum biologischen Teil der Forschung bei.

Technik und Auswirkungen

Weitere Mitwirkende waren Pulickel Ajayan, Matthew Bennett und Matteo Pasquali. Eine skalierbare Plattform für multifunktionale Biomaterialien „Der Syntheseprozess ist im Wesentlichen wie das Training einer disziplinierten bakteriellen Gruppe", erklärte Saadi.

Anstatt dass sich die Bakterien zufällig bewegen, leiten wir sie an, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen, wodurch ihre Zelluloseproduktion präzise ausgerichtet wird. Diese disziplinierte Bewegung und die Vielseitigkeit der Biosynthesetechnik ermöglichen es uns, gleichzeitig Ausrichtung und Multifunktionalität zu gestalten.

Da der Prozess skalierbar ist und in einem einzigen Schritt abgeschlossen wird, glauben die Forscher, dass er in einer breiten Palette könnte.

Technischer Hintergrund

Mögliche Anwendungsbereiche umfassen Strukturmaterialien, Wärmemanagementsysteme, Verpackungen, Textilien, grüne Elektronik und Energiespeichertechnologien. „Diese Arbeit ist ein hervorragendes Beispiel für interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle, Biologie und Nanoengineering", fügte Rahman hinzu. „Wir stellen uns vor, dass diese starken, multifunktionalen und umweltfreundlichen Bakterienzellulosefolien allgegenwärtig werden, Kunststoffe in verschiedenen Branchen ersetzen und zur Minderung äden beitragen." Referenz: „Flow-induced 2D nanomaterials intercalated aligned bacterial cellulose", Yufei Cui, Shyam P.

Bhakta, Sakib Hassan, Vijay Harikrishnan, Ivan R. Siqueira, Matteo Pasquali, Matthew Bennett, Pulickel M. Ajayan und Muhammad M. Rahman, 1. Juli 2025, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-025-60242-1 Die Forschung wurde durch die National Science Foundation (2234567), das U.S.

Endowment for Forestry and Communities (23-JV−11111129-042) und die Welch Foundation (C-1668) unterstützt. Der vorliegende Inhalt liegt allein in der Verantwortung der Autoren und spiegelt nicht zwangsläufig die offiziellen Standpunkte der fördernden Organisationen und Institutionen wider.