Cientistas da Universidade de Rice e da Universidade de Houston desenvolveram uma abordagem inovadora e escalável para projetar a celulose bacteriana em materiais multifuncionais de alta resistência. O estudo, publicado em Nature Communications, Introduz uma técnica dinâmica de biossíntese que alinha fibras de celulose bacteriana em tempo actual, resultando em folhas de biopolímero robustas com propriedades mecânicas excepcionais.
A poluição plástica persiste porque os polímeros sintéticos tradicionais se degradam em microplásticos, liberando produtos químicos nocivos como o bisfenol A (BPA), ftalatos e agentes cancerígenos. Buscando alternativas sustentáveis, a equipe de pesquisa liderada por Muhammad Maksud Rahman, professora assistente de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade de Houston e Professor Assistente de Ciência de Materiais e Nanoengenharia em Rice, a bioduladores mais abundantes da Terra – como biodegenta bacteriana.
“Nossa abordagem envolveu o desenvolvimento de um biorreator rotacional que direciona o movimento de bactérias produtoras de celulose, alinhando seu movimento durante o crescimento”, disse Masr Saadi, o primeiro autor do estudo e um estudante de doutorado em ciência e nanoengenharia de materiais em Rice. “Esse alinhamento aprimora significativamente as propriedades mecânicas da celulose microbiana, criando um materials tão forte quanto alguns metais e óculos, mas flexíveis, dobráveis, transparentes e amigáveis ao meio ambiente”.
As fibras bacterianas de celulose geralmente se formam aleatoriamente, o que limita sua força e funcionalidade mecânicas. Ao aproveitar a dinâmica de fluidos controlada em seu novo biorreator, os pesquisadores alcançaram o alinhamento in situ de nanofibrilas de celulose, criando folhas com resistência à tração atingindo até 436 megapascais.
Além disso, a incorporação de nanopartículas de nitreto de boro durante a síntese resultou em um materials híbrido com força ainda maior – cerca de 553 megapascais – e propriedades térmicas aprimoradas, demonstrando uma taxa de dissipação de calor três vezes mais rápida que as amostras de controle.
“Essa abordagem dinâmica de biossíntese permite a criação de materiais mais fortes com maior funcionalidade”, disse Saadi. “O método permite a fácil integração de vários aditivos em nanoescala diretamente na celulose bacteriana, possibilitando a personalização de propriedades do materials para aplicações específicas”.
Shyam Bhakta, bolsista de pós -doutorado do Departamento de Biociências de Rice, desempenhou um papel importante no avanço dos aspectos biológicos do estudo. Outros colaboradores de arroz incluíram Pulickel Ajayan, Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson Professor de Ciência e Nanoengenharia de Materiais; Matthew Bennett, professor de biosciências; e Matteo Pasquali, o professor de AJ Hartsook de engenharia química e biomolecular.
“O processo de síntese é essencialmente como treinar uma coorte bacteriana disciplinada”, explicou Saadi. “Em vez de se mover as bactérias aleatoriamente, instruímos -as a se mover em uma direção específica, alinhando com precisão sua produção de celulose. Esse movimento disciplinado e a versatilidade da técnica de biossíntese nos permitem projetar simultaneamente o alinhamento e a multifuncionalidade”.
O processo escalável e de uma etapa tem uma promessa significativa para inúmeras aplicações industriais, incluindo materiais estruturais, soluções de gerenciamento térmico, embalagens, tecidos, eletrônicos verdes e sistemas de armazenamento de energia.
“Este trabalho é um ótimo exemplo de pesquisa interdisciplinar na interseção da ciência, biologia e nanoengenharia de materiais”, acrescentou Rahman. “Prevemos essas folhas de celulose bacterianas fortes, multifuncionais e ecológicas se tornando onipresentes, substituindo plásticos em várias indústrias e ajudando a mitigar os danos ambientais”.
A pesquisa foi apoiada pela Nationwide Science Basis (2234567), pela doação dos EUA para florestas e comunidades (23-JV -111111129-042) e a Fundação Welch (C-1668). O conteúdo aqui é exclusivamente de responsabilidade dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais das organizações e instituições de financiamento.
