Các nhà khoa học gần đây đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí "Nature Communications" cho biết một nhóm từ Đại học Rice và Đại học Houston ở Hoa Kỳ đã sử dụng một quy trình đơn giản và có thể mở rộng để đạt được sự liên kết định hướng của sợi trong quá trình sản xuất cellulose vi khuẩn, tạo ra vật liệu dựa trên sinh học vừa có độ bền cao vừa có tính linh hoạt, được coi là có triển vọng thay thế một số loại nhựa truyền thống.
Ô nhiễm nhựa từ lâu đã là vấn đề toàn cầu. Các polyme tổng hợp thông thường sẽ phân hủy thành các hạt vi nhựa trong môi trường và giải phóng các hóa chất độc hại như bisphenol A (BPA), phthalates và một số chất gây ung thư. Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu do Mohammad Maqsood Rahman đứng đầu đã chuyển sự chú ý của họ sang cellulose vi khuẩn sinh học tự nhiên, loại vật liệu giàu nguồn, có độ tinh khiết cao và có khả năng phân hủy sinh học.
Nghiên cứu chỉ ra rằng bản thân cellulose của vi khuẩn bao gồm các sợi có kích thước nano và có nền tảng cơ học tuyệt vời. Tuy nhiên, do hướng của các sợi bị rối loạn trong quá trình phát triển tự nhiên nên hiệu quả tổng thể chưa được phát huy hết. Ngoài ra, khi các chất độn nano khác được đưa vào mạng lưới dày đặc ba chiều này, chúng cũng gặp phải những khó khăn về phân tán và thâm nhập, điều này hạn chế việc mở rộng các chức năng của vật liệu. Để giải quyết các vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một lò phản ứng sinh học quay sử dụng chuyển động của chất lỏng để hướng dẫn hướng di chuyển của vi khuẩn sản xuất cellulose để chúng “buộc phải xếp hàng” trong quá trình sinh trưởng, từ đó đạt được sự phát triển sợi có định hướng.
M.A.S.R. Saadi, tác giả đầu tiên của bài báo và là nghiên cứu sinh tại Đại học Rice, cho biết phương pháp này tương đương với việc "huấn luyện một nhóm vi khuẩn có kỷ luật", cho phép vi khuẩn bơi lội ngẫu nhiên ban đầu di chuyển theo một hướng nhất định và sản xuất cellulose theo định hướng trong quá trình này. Thông qua chiến lược sinh tổng hợp năng động này, các tấm cellulose vi khuẩn định hướng do các nhà nghiên cứu tạo ra có độ bền kéo khoảng 436 MPa, có độ bền tương đương với một số kim loại và thủy tinh. Nó cũng linh hoạt, có thể gập lại, trong suốt và thân thiện với môi trường.
Trong các thí nghiệm tiếp theo, nhóm đã bổ sung trực tiếp các tấm nano boron nitride hình lục giác vào dung dịch dinh dưỡng nuôi cấy vi khuẩn, cho phép chúng được tích hợp vào mạng lưới cellulose tại chỗ trong quá trình tổng hợp. Độ bền kéo của vật liệu composite này đã được tăng lên tối đa 553 MPa và hiệu suất nhiệt của nó cũng được cải thiện đáng kể. Độ dẫn nhiệt gấp khoảng ba lần so với mẫu đối chứng, giúp tản nhiệt nhanh chóng. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng phương pháp này mang lại sự thuận tiện cho việc “tích hợp đáy” của nhiều chất phụ gia nano trong giai đoạn tạo vật liệu và có thể điều chỉnh các đặc tính cơ, nhiệt và các tính chất khác theo yêu cầu ứng dụng.
Nhóm nghiên cứu tin rằng lộ trình chuẩn bị từ dưới lên, một bước này có tiềm năng mở rộng quy mô công nghiệp. Nhờ đơn giản hóa quy trình và nguồn nguyên liệu đa dạng, dự kiến nó sẽ được áp dụng trong các lĩnh vực bao bì, dệt may, vật liệu kết cấu, quản lý nhiệt, thiết bị điện tử xanh và lưu trữ năng lượng trong tương lai. Rahman chỉ ra rằng công trình này thể hiện sức mạnh của nghiên cứu liên ngành về khoa học vật liệu, sinh học và kỹ thuật nano, với mục tiêu cuối cùng là cho phép tấm cellulose vi khuẩn mạnh mẽ, đa chức năng và thân thiện với môi trường này thay thế một số loại nhựa trong nhiều tình huống khác nhau và giảm thiệt hại cho môi trường.
Nhóm nghiên cứu kết luận rằng bằng cách giải quyết các vấn đề tồn tại lâu dài về định hướng sợi và khuếch tán chất độn gây khó khăn cho cellulose vi khuẩn, quá trình này mở ra cơ hội cho các vật liệu kỹ thuật hiệu suất cao cho loại polyme sinh học tự nhiên này. Họ tin rằng vật liệu dựa trên sinh học có thể phân hủy sinh học và có thể điều chỉnh hiệu suất này mang lại một lộ trình thực tế để giảm sự phụ thuộc vào nhựa truyền thống, đồng thời mang lại trí tưởng tượng công nghệ mới cho việc kiểm soát ô nhiễm nhựa toàn cầu.