取代塑胶 科学家成功研发超级材料

　　随着塑胶污染问题日益受到重视，人们开始寻求替代品。近期，科学家合作利用细菌，成功研发一款超级材料，它不仅能够承载高热还能整合先进的纳米材料，有望取代塑胶成为包装、电子产品和储能领域的新宠儿。

　　许多研究表明，塑胶再制过程中会产生污染，其降解时会释放出双酚A（BPA）等有害的致癌化学物质。当它分裂成塑胶微粒时，更会对人体、生物和环境造成多重伤害，包括心脏病、生育力降低、失智症、肝肾等相关疾病。

　　过去，有科学家想利用可生物降解的细菌纤维素，作为塑胶材料的替代品。然而，传统细菌纤维素的纤维通常是随机，这种无序性降低了其机械性能与稳定性，使其原本富有的潜力无法完全发挥出来。

　　莱斯大学（Rice University）和休斯敦大学（University of Houston）组成研究团队，透过一种动态生物合成技术，成功将细菌纤维素（BC）加工成一种高强度、多功能的创新材料。这种材料能够制成具有优异机械性能的聚合物薄片，有望作为现有塑胶的潜力替代品。

　　该团队开发一种新型的生物反应器，引导和调整生产纤维素的细菌，使它们朝着固定方向生产纤维素，让纤维素内部的纤维形成有序排列，达到增强材料整体的机械性能，最终形成一种性能足以媲美金属玻璃的坚固环保材料。

　　实验中，他们将含有细菌菌株Novacitomonas hansenii（ATCC 53582）的培养液体与营养物，一同放置在特制的旋转培养装置中。随后，启动全转装置让细菌得以在装置中，依照特定的方向生产出奈米细菌纤维素（BC）。

　　由于刚产出的奈米细菌纤维素（BC）是绿色带有杂质，需要先用浓度0.5M的氢氧化钠（NaOH）溶液清洗残留细菌，再用去离子水（DI）冲洗，最后放置室温干燥。干燥之后的细菌纤维素外观透明，且具有良好的柔韧性、可折叠性和长期机械稳定性。

　　研究人员透过X射线散射仪（WAXS）、原子力显微镜（AFM）等仪器，观察刚产出的纤维材料是否朝同一方向排列。结果显示，细菌纤维素内部的纤维，确实大致朝着特定方向均匀生长，且排列相当整齐。

　　另外，为了解纤维排列对机械强度的影响，研究人员比较了排列整齐的细菌纤维素与普通细菌纤维素。结果显示，排列整齐的BC薄片，其平均拉伸强度增加了137%，从原本的170兆帕（MPa）提升至423MPa。

　　研究人员也对两种材料进行剪切、形变、扭转（旋转）与抗疲劳性等多项测试。结果显示，排列整齐的细菌纤维素薄片在多数性能上，均要优异于普通细菌纤维素。他们将细菌纤维素性能的提升，归功于纤维密度增加、整齐排列有关。

　　此外，他们将排列整齐的细菌纤维素薄片，与不同的合成材料、合金、纯金属、天然材料以及其它复合材料等进行比较。结果显示，该种细菌纤维素薄片的机械强度，甚至超过大多数的金属、合金和玻璃。

　　研究人员在细菌纤维素薄片合成时，加入氮化硼奈米片（BNNS）形成细菌纤维素-氮化硼杂化奈米片（BCBN），并对BCBN材料进行耐热、剪切、形变、扭转与抗疲劳性等多项测试，再与前述两种纤维素材料进行比较。

　　结果显示，BCBN材料的散热速度是普通样品的三倍，耐热能力提升至300°C，抗拉伸强度与抗扭转能力均提升至553MPa，而强度和韧性强度也得到大幅度提升，且其它方面的表现大多数均优异于前面两种材料。

　　研究人员表示，这种生物制造方法制备出的细菌纤维素片，兼具永续性和高度可扩展性的优势（能加入其它奈米片），因此未来有望取代塑胶，成为结构材料、热管理、包装、纺织品、绿色电子和储能等领域的主流材料。

　　该研究的第一作者、莱斯大学材料科学与奈米工程博士生M.A.S.R.萨迪（M.A.S.R Saadi）对该校新闻室表示，“我们透过这种动态生物合成方法，创造出更好、强度更高的材料。该方法还可以轻松的将各种奈米级添加剂，直接整合到细菌纤维素中，定制出一些具有特定功能的材料。”

　　萨迪解释，“我们不让细菌随机移动，引导它们朝着特定方向移动，从而精确调整它们生成的纤维素。这种有规律的运动和生物合成技术，能够使我们同时进行设计与排列，赋予材料拥有更多功能性。”

示意图 (Shutterstock)

　　该篇研究通讯作者、莱斯大学材料与奈米工程助理教授穆罕默德‧马克苏德‧拉赫曼（ Muhammad Maksud Rahman）则表示，“我们设想这些坚固、多功能且具环保特性的细菌纤维素薄片，将取代各行各业的塑料，从而达到减轻环境破坏的目标。”

　　这项研究结果于7月初发表在《自然通讯》杂志上，并获得30多家媒体关注与报道。该研究获得美国国家科学基金会（2234567）、美国林业与社区基金会（23-JV-11111129-042）和韦尔奇基金会（C-1668）资助。