取代塑膠科學家成功研發超級材料

日期: 2025-08-10 | 來源: 大紀元 | 有0人參與評論 | 字體: 小中大
隨著塑膠污染問題日益受到重視，人們開始尋求替代品。近期，科學家合作利用細菌，成功研發一款超級材料，它不僅能夠承載高熱還能整合先進的納米材料，有望取代塑膠成為包裝、電子產品和儲能領域的新寵兒。

許多研究表明，塑膠再制過程中會產生污染，其降解時會釋放出雙酚A（BPA）等有害的致癌化學物質。當它分裂成塑膠微粒時，更會對人體、生物和環境造成多重傷害，包括心臓病、生育力降低、失智症、肝腎等相關疾病。

過去，有科學家想利用可生物降解的細菌纖維素，作為塑膠材料的替代品。然而，傳統細菌纖維素的纖維通常是隨機，這種無序性降低了其機械性能與穩定性，使其原本富有的潛力無法完全發揮出來。

萊斯大學（Rice University）和休斯敦大學（University of Houston）組成研究團隊，透過一種動態生物合成技術，成功將細菌纖維素（BC）加工成一種高強度、多功能的創新材料。這種材料能夠制成具有優異機械性能的聚合物薄片，有望作為現有塑膠的潛力替代品。

該團隊開發一種新型的生物反應器，引導和調整生產纖維素的細菌，使它們朝著固定方向生產纖維素，讓纖維素內部的纖維形成有序排列，達到增強材料整體的機械性能，最終形成一種性能足以媲美金屬玻璃的堅固環保材料。

實驗中，他們將含有細菌菌株Novacitomonas hansenii（ATCC 53582）的培養液體與營養物，一同放置在特制的旋轉培養裝置中。隨後，啟動全轉裝置讓細菌得以在裝置中，依照特定的方向生產出奈米細菌纖維素（BC）。

由於剛產出的奈米細菌纖維素（BC）是綠色帶有雜質，需要先用濃度0.5M的氫氧化鈉（NaOH）溶液清洗殘留細菌，再用去離子水（DI）沖洗，最後放置室溫幹燥。幹燥之後的細菌纖維素外觀透明，且具有良好的柔韌性、可折疊性和長期機械穩定性。

研究人員透過X射線散射儀（WAXS）、原子力顯微鏡（AFM）等儀器，觀察剛產出的纖維材料是否朝同一方向排列。結果顯示，細菌纖維素內部的纖維，確實大致朝著特定方向均勻生長，且排列相當整齊。

另外，為了解纖維排列對機械強度的影響，研究人員比較了排列整齊的細菌纖維素與普通細菌纖維素。結果顯示，排列整齊的BC薄片，其平均拉伸強度增加了137%，從原本的170兆帕（MPa）提升至423MPa。

研究人員也對兩種材料進行剪切、形變、扭轉（旋轉）與抗疲勞性等多項測試。結果顯示，排列整齊的細菌纖維素薄片在多數性能上，均要優異於普通細菌纖維素。他們將細菌纖維素性能的提升，歸功於纖維密度增加、整齊排列有關。

此外，他們將排列整齊的細菌纖維素薄片，與不同的合成材料、合金、純金屬、天然材料以及其它復合材料等進行比較。結果顯示，該種細菌纖維素薄片的機械強度，甚至超過大多數的金屬、合金和玻璃。

研究人員在細菌纖維素薄片合成時，加入氮化硼奈米片（BNNS）形成細菌纖維素-氮化硼雜化奈米片（BCBN），並對BCBN材料進行耐熱、剪切、形變、扭轉與抗疲勞性等多項測試，再與前述兩種纖維素材料進行比較。

結果顯示，BCBN材料的散熱速度是普通樣品的三倍，耐熱能力提升至300°C，抗拉伸強度與抗扭轉能力均提升至553MPa，而強度和韌性強度也得到大幅度提升，且其它方面的表現大多數均優異於前面兩種材料。

研究人員表示，這種生物制造方法制備出的細菌纖維素片，兼具永續性和高度可擴展性的優勢（能加入其它奈米片），因此未來有望取代塑膠，成為結構材料、熱管理、包裝、紡織品、綠色電子和儲能等領域的主流材料。

該研究的第一作者、萊斯大學材料科學與奈米工程博士生M.A.S.R.薩迪（M.A.S.R Saadi）對該校新聞室表示，“我們透過這種動態生物合成方法，創造出更好、強度更高的材料。該方法還可以輕松的將各種奈米級添加劑，直接整合到細菌纖維素中，定制出一些具有特定功能的材料。”

薩迪解釋，“我們不讓細菌隨機移動，引導它們朝著特定方向移動，從而精確調整它們生成的纖維素。這種有規律的運動和生物合成技術，能夠使我們同時進行設計與排列，賦予材料擁有更多功能性。”
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