Các nhà khoa học tại Đại học Rice và Đại học Houston đã phát triển được một phương pháp sáng tạo, có thể mở rộng để chế tạo cellulose vi khuẩn thành các vật liệu đa chức năng có độ bền cao. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature Communications, cho thấy kỹ thuật tổng hợp sinh học động giúp định hướng các sợi cellulose vi khuẩn theo thời gian thực, tạo ra các tấm vật liệu polyme sinh học bền chắc có tính chất cơ học vượt trội.

Ô nhiễm nhựa vẫn tiếp diễn vì các polyme tổng hợp truyền thống phân hủy thành hạt vi nhựa, sau đó giải phóng ra các hóa chất độc hại như bisphenol A (BPA), phthalate và chất gây ung thư. Nhằm tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững, nhóm nghiên cứu do Muhammad Maksud Rahman, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học Houston kiêm phó giáo sư kiêm nhiệm về khoa học vật liệu và công nghệ nano tại Rice, đã khai thác cellulose vi khuẩn - một trong những loại polyme sinh học tinh khiết và dồi dào nhất trên Trái đất - làm vật liệu thay thế có khả năng phân hủy sinh học.

"Cách tiếp cận của chúng tôi là phát triển một lò phản ứng sinh học quay để điều hướng chuyển động của vi khuẩn sản xuất cellulose, giúp chúng thẳng hàng trong quá trình phát triển. Sự định hướng này đã cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của cellulose vi khuẩn, tạo ra một vật liệu bền chắc như một số kim loại và thủy tinh nhưng vẫn linh hoạt, có thể gập lại, trong suốt và thân thiện với môi trường”, M.A.S.R. Saadi, tác giả chính của nghiên cứu, nghiên cứu sinh bậc tiến sĩ ngành khoa học vật liệu và công nghệ nano tại Rice, cho biết.

Các sợi cellulose vi khuẩn thường hình thành một cách ngẫu nhiên, điều này hạn chế độ bền cơ học và chức năng của chúng. Bằng cách tận dụng động lực học chất lỏng được kiểm soát trong lò phản ứng sinh học mới của họ, các nhà nghiên cứu đã đạt được sự định hướng tại chỗ (in situ) của các sợi nano cellulose, tạo ra các tấm vật liệu với độ bền kéo đạt tới 436 megapascal.

Hơn nữa, việc kết hợp các tấm nano boron nitride trong quá trình tổng hợp đã tạo ra một vật liệu lai với độ bền còn cao hơn - khoảng 553 megapascal - và cải thiện các tính chất nhiệt, cho thấy tốc độ tản nhiệt nhanh hơn gấp ba lần so với các mẫu đối chứng.

"Cách tiếp cận tổng hợp sinh học động này giúp tạo ra các vật liệu bền hơn với chức năng lớn hơn. Phương pháp này cho phép dễ dàng tích hợp nhiều chất phụ gia nano khác nhau trực tiếp vào cellulose vi khuẩn, giúp tùy chỉnh các đặc tính vật liệu cho các ứng dụng cụ thể", Saadi nói

Shyam Bhakta, nghiên cứu sinh bậc sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học sinh học của Rice, đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các khía cạnh sinh học của nghiên cứu. Các cộng tác viên khác của Rice bao gồm Pulickel Ajayan, giáo sư Benjamin M. và Mary Greenwood Anderson về khoa học vật liệu và công nghệ nano; Matthew Bennett, giáo sư khoa học sinh học; và Matteo Pasquali, giáo sư A.J. Hartsook về kỹ thuật hóa học và biomolecular.

"Quá trình tổng hợp về cơ bản giống như huấn luyện một đội quân vi khuẩn có kỷ luật," Saadi giải thích. "Thay vì để vi khuẩn di chuyển ngẫu nhiên, chúng tôi hướng dẫn chúng di chuyển theo một hướng cụ thể, từ đó định hướng chính xác quá trình sản xuất cellulose của chúng. Chuyển động có kỷ luật này và sự linh hoạt của kỹ thuật tổng hợp sinh học cho phép chúng tôi đồng thời tạo ra cả sự định hướng và tính đa chức năng cho vật liệu".

Quá trình một bước, có thể mở rộng này hứa hẹn rất nhiều cho nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm vật liệu kết cấu, giải pháp quản lý nhiệt, bao bì, dệt may, điện tử xanh và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Rahman nói thêm: "Công trình này là một ví dụ tuyệt vời về nghiên cứu liên ngành ở giao điểm của khoa học vật liệu, sinh học và công nghệ nano. Chúng tôi hình dung những tấm cellulose vi khuẩn bền, đa chức năng và thân thiện với môi trường này sẽ trở nên phổ biến, thay thế nhựa trong nhiều ngành công nghiệp và giúp giảm thiểu thiệt hại môi trường".

Công trình nghiên cứu được Quỹ Khoa học quốc gia, Quỹ tài trợ của Hoa Kỳ về lâm nghiệp và cộng đồng và Quỹ Welch hỗ trợ.

P.T.T (NASTIS), theo https://www.sciencedaily.com/releases/, 2025