ابداع روشی تک مرحله‌ای برای رشد جایگزین‌های پلاستیک با استفاده از باکتری

به گزارش گروه خبرگزاری دانشجو، در بحبوحه افزایش روزافزون ضایعات پلاستیکی، یک مهندس آمریکایی روشی تک مرحله‌ای برای تولید ورق‌های مستحکم و زیست‌تخریب‌پذیر با استفاده از باکتری‌ها ابداع کرده است.

مقصود رحمان، استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه هوستون، رهبری تلاش برای تبدیل سلولز باکتریایی به ماده‌ای با کارایی بالا را بر عهده داشت که می‌تواند جایگزین پلاستیک در مصارف روزمره شود.

این نوآوری نه تنها در ماده، بلکه در نحوه ساخت آن نیز نهفته است. این تیم با کنترل حرکت باکتری‌ها در داخل یک انکوباتور چرخان، تولید نانوفیبر‌های سلولزی هم‌تراز را هدایت کرد.

نتیجه، یک ورق انعطاف‌پذیر، اما محکم است که کاربرد‌هایی از بسته‌بندی گرفته تا پانسمان‌های پزشکی دارد.

رحمان گفت: «ما پیش‌بینی می‌کنیم که این صفحات سلولز باکتریایی قوی، چندمنظوره و سازگار با محیط زیست، فراگیر شوند و جایگزین پلاستیک در صنایع مختلف شوند و به کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی کمک کنند.»

بیوپلاستیک‌های قوی‌تر و هوشمندتر

سلولز باکتریایی که به فراوانی طبیعی و زیست‌تخریب‌پذیری‌اش معروف است، ستون فقرات این ماده جدید را تشکیل می‌دهد. اما محققان به همین جا بسنده نکردند.

آنها با افزودن نانوصفحات نیترید بور به محلول غذایی، صفحات سلولزی را بهبود بخشیدند. این امر به آنها امکان ساخت صفحات هیبریدی با خواص بسیار بهتر را داد.

ورق‌های کامپوزیتی استحکام کششی قابل توجهی، تا ۵۵۳ مگاپاسکال، و رسانایی حرارتی فوق‌العاده‌ای از خود نشان دادند. طبق این مطالعه، آنها گرما را سه برابر سریع‌تر از نمونه‌های بدون پوشش از بین بردند.

رحمان توضیح داد: «ما یک استراتژی ساده، تک مرحله‌ای و مقیاس‌پذیر از پایین به بالا را برای بیوسنتز صفحات سلولز باکتریایی مقاوم با نانوفیبریل‌های هم‌تراز و نانوصفحات هیبریدی چندمنظوره مبتنی بر سلولز باکتریایی با استفاده از نیرو‌های برشی ناشی از جریان سیال در یک دستگاه کشت چرخشی گزارش می‌کنیم.»‌ام.‌ای. اس. آر سعدی، دانشجوی دکترای دانشگاه رایس و نویسنده اول این مطالعه، گفت: «ورقه‌های سلولز باکتریایی حاصل، استحکام کششی بالا، انعطاف‌پذیری، قابلیت تاشو، شفافیت نوری و پایداری مکانیکی طولانی مدت را نشان می‌دهند.»

شیام باکتا، دانشجوی فوق دکترای دانشگاه رایس، از اجرای بیولوژیکی این طرح حمایت کرد.

باکتری‌های هدایت‌شده، نتایج بهتر

نوآوری کلیدی، یک دستگاه کشت چرخشی سفارشی است. این دستگاه انکوباتور که به شکل استوانه و نفوذپذیر به اکسیژن است، روی یک محور مرکزی می‌چرخد.

این حرکت پیوسته باعث جریان سیال جهت‌دار می‌شود و باکتری‌ها را به حرکت در یک مسیر سازمان‌یافته ترغیب می‌کند.

رحمان گفت: «ما اساساً باکتری‌ها را هدایت می‌کنیم تا هدفمند رفتار کنند. به جای حرکت تصادفی، حرکت آنها را هدایت می‌کنیم، بنابراین آنها سلولز را به روشی سازمان‌یافته تولید می‌کنند.»

این مطالعه که در مجله Nature Communications منتشر شده است، گامی بزرگ به سوی تولید مقیاس‌پذیر و سبز را برجسته می‌کند.

برخلاف بیوپلاستیک‌های سنتی که اغلب به پردازش انرژی‌بر نیاز دارند، این رویکرد از اصول بیولوژیکی ساده‌ای استفاده می‌کند که با طراحی مکانیکی بهبود یافته‌اند.

با توجه به افزایش علاقه به مواد پایدار، تکنیک رحمان می‌تواند شاهد پذیرش گسترده در صنایعی باشد که برای کاهش وابستگی به پلاستیک تلاش می‌کنند.

این تیم معتقد است که این روش می‌تواند دریچه‌ای به سوی طیف وسیعی از کاربرد‌های صنعتی بگشاید.

رحمان افزود: «این رویکرد زیست‌ساخت مقیاس‌پذیر و تک‌مرحله‌ای که منجر به تولید صفحات سلولز باکتریایی هم‌راستا، قوی و چندمنظوره می‌شود، راه را برای کاربرد در مواد ساختاری، مدیریت حرارتی، بسته‌بندی، منسوجات، الکترونیک سبز و ذخیره‌سازی انرژی هموار می‌کند.»

این تیم با ترکیب زیست‌شناسی، علم مواد و مهندسی نانو، مسیری مناسب برای جایگزین‌های پایدار و با کارایی بالا برای پلاستیک ایجاد کرده است، بدون اینکه به مواد مبتنی بر نفت یا فرآیند‌های شیمیایی پیچیده متکی باشد.