Creare la prossima generazione di supermateriali con i batteri: più resistenti della plastica e più ecologici

Con l’aggravarsi dell’inquinamento globale da plastica, i ricercatori sono alla ricerca attiva di alternative sostenibili. Un team di scienziati dell’Università di Houston e della Rice University negli Stati Uniti ha compiuto una svolta significativa, trasformando con successo la cellulosa batterica biodegradabile in un supermateriale multifunzionale che potrebbe sostituire la plastica tradizionale.

Processo e risultati della ricerca

Questo nuovo materiale si basa sulla cellulosa batterica, un biopolimero naturale, abbondante e completamente degradabile. Utilizzando una tecnica di biosintesi innovativa, i ricercatori hanno sfruttato le forze di taglio dei fluidi in un dispositivo di coltura rotante per sintetizzare fogli resistenti di cellulosa batterica con nanofibre orientate. Il materiale presenta proprietà meccaniche eccezionali, tra cui elevata resistenza alla trazione, flessibilità, piegabilità e trasparenza ottica, mantenendo al contempo una stabilità a lungo termine.

Per migliorarne le prestazioni, il team ha incorporato nanosfoghi di nitruro di boro nella soluzione di coltura, producendo fogli ibridi di cellulosa batterica e nitruro di boro. I test hanno dimostrato che la resistenza alla trazione può raggiungere circa 553 MPa, con un’efficienza di dissipazione del calore tre volte superiore rispetto ai campioni standard, ampliando così il potenziale di applicazione in ambienti ad alta temperatura o ad alta resistenza.

Le prospettive di applicazione di questo materiale sono vaste: può essere utilizzato per imballaggi ecologici, bottiglie d’acqua monouso, medicazioni mediche e persino dispositivi elettronici verdi e sistemi di accumulo energetico. Il team di ricerca sottolinea che questo metodo di produzione in un unico passaggio e scalabile getta le basi per applicazioni industriali, aprendo la strada alla sostituzione della plastica in diversi settori e contribuendo a mitigare l’inquinamento ambientale.

Due materiali chiave

Cosa sono i nanosfoghi di nitruro di boro (Boron Nitride Nanosheets, BNNS)?

I nanosfoghi di nitruro di boro sono nanomateriali bidimensionali (2D) con una struttura simile al grafene, composti da atomi di boro (B) e azoto (N) disposti in un reticolo esagonale a nido d’ape. A seconda del tipo di legame, il nitruro di boro si presenta principalmente in due forme cristalline:

• Nitruro di boro esagonale (h-BN): La più stabile, con struttura simile alla grafite, chiamata anche “grafene bianco”, caratterizzata da alta conducibilità termica, isolamento elettrico, inerzia chimica e buone proprietà meccaniche.
• Nitruro di boro cubico (c-BN): Durezza vicina a quella del diamante, utilizzato per rivestimenti ultra-resistenti.

Proprietà dei nanosfoghi di nitruro di boro:

• Alta conducibilità termica: ~600 W/m·K, superiore alla maggior parte dei materiali
• Isolamento elettrico: band gap di circa 5-6 eV, ideale per strati isolanti nei dispositivi elettronici
• Stabilità chimica: resistente ad alte temperature, all’ossidazione e alla corrosione
• Elevata resistenza meccanica
• Lubrificazione: basso coefficiente di attrito grazie allo scorrimento tra gli strati

Cos’è la cellulosa batterica (Bacterial Cellulose, BC)?

La cellulosa batterica è un polimero nanofibroso naturale secreto da alcuni microrganismi (come il Komagataeibacter xylinus). La sua composizione chimica è il β-1,4-glucano, identica a quella della cellulosa vegetale, ma con una struttura tridimensionale unica di rete ultrafine.

Proprietà chiave:

• Rete di fibre ultrafini: diametro delle fibre di soli 3-100 nm, 1000 volte più sottili della cellulosa vegetale (10-50 μm), con una porosità elevata (>90%) e forma di gel.
• Elevata purezza: priva di lignina, emicellulosa e altre impurità vegetali, con eccellente biocompatibilità.
• Alta resistenza e capacità di ritenzione idrica: resistenza alla trazione fino a 200-300 MPa nello stato umido, capacità di assorbire acqua fino a 100-200 volte il proprio peso.
• Regolabilità: condizioni di coltura (come terreno di coltura, temperatura) possono influenzare lo spessore delle fibre, la porosità, ecc.

Conclusione

Questa ricerca combina i vantaggi multidisciplinari della scienza dei materiali, della biologia e della nanoingegneria, mostrando un percorso innovativo per lo sviluppo di materiali sostenibili. Con il continuo perfezionamento della tecnologia, questo supermateriale potrebbe diventare una soluzione cruciale per affrontare l’inquinamento da plastica.

Stanford Advanced Materials (SAM), fornitore di materiali avanzati, è sempre attento ai progressi tecnologici all’avanguardia. SAM offre materiali ad alta purezza per aiutare i ricercatori a spingere i confini della scienza.

Redazione

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