Aerosol-assisteret biosyntesestrategi muliggør funktionelle bulk nanokompositter

I filmen Avengers:Infinity War , en af ​​de fedeste scener opstår, når Iron Man aktiverer sin nanoteknologiske rustning. I det virkelige liv, at udvikle en teknik til at samle nanomaterialer til makroskopiske bulkmaterialer, der bevarer deres unikke nanoskalaegenskaber, er fortsat en udfordrende opgave. Dette problem hæmmer også den praktiske industrielle anvendelse af nanomaterialer.

En mulig løsning er at tilvejebringe et skelet, der kan holde de enkelte nanomaterialer sammen og dermed konstruere funktionelle bulk nanokompositter, ligesom stålarmeringsstængerne i armeret beton. Blandt talrige kandidater, bakteriel cellulose (BC) nanofibriller, et af de mest udbredte biomaterialer, der kan produceres i store mængder til lave omkostninger via bakteriel fermentering, er begunstiget af videnskabsmænd ikke kun for høj trækstyrke sammenlignelig med stål og Kevlar, men også for det robuste 3-D nanofibrøse netværk, de danner. Imidlertid, den konventionelle proces med fremstilling af BC nanokompositter kræver opløsning af en sådan 3-D netværksstruktur, hvilket alvorligt forringer de mekaniske egenskaber af de konstruerede nanokompositter. Målet for forskere er at inkorporere byggesten i nanoskala i en BC-matrix, samtidig med at BC's 3D-netværksstruktur bevares.

Som svar på denne udfordring udviklede forskere ledet af professor YU Shu-Hong fra University of Science and Technology of China (USTC) for nylig en generel og skalerbar biosyntesestrategi, som involverer samtidig vækst af cellulosenanofibriller gennem mikrobiel fermentering og samtidig aflejring af forskellige slags byggesten i nanoskala (NBB'er) gennem aerosoltilførsel (den intermitterende spray af flydende næringsstoffer og NBBs suspension) på faste kultursubstrater. Sammenlignet med statisk gæring i flydende næringsstoffer spredt med NBB'er, denne metode overvinder diffusionsbegrænsningen af ​​enheder i nanoskala fra det nederste flydende medium til det øvre overfladelag af nyvokset BC, med succes at producere en serie af ensartede bulk nanokompositter sammensat af BC og nanoskala byggesten af ​​forskellige dimensioner, former, og størrelser. Metoden kan let skaleres op til potentielle industrielle anvendelser ved at bruge store reaktorer og øge antallet af dyser.

Takket være den ensartede fordeling af NBB'er i de biosyntetiserede nanokompositter, forskere var i stand til at justere indholdet af carbon nanorør (CNT'er) i et bredt område fra 1,5 vægt% til 75 vægt% ved at ændre koncentrationen af ​​CNT's suspensioner. Bemærk, at den konventionelle fremstillingsmetode for CNTs nanokompositter, der kræver blanding af CNTs dispersioner med polymeropløsninger, kun er anvendelig til fremstilling af polymer nanokompositter med lave CNT'er ( <10 vægt-%), da det er ekstremt vanskeligt homogent at dispergere højkoncentrerede CNT'er i polymere værter.

For yderligere at demonstrere fordelene ved biosyntesestrategien til fremstilling af mekanisk forstærkede nanokompositter, CNT'er/BC nanokompositfilm blev også fremstillet til sammenligning ved blanding af CNT'er og disintegrerede BC-suspensioner. Både trækstyrken og Youngs modul af de biosyntetiserede CNT'er/BC nanokompositter var bemærkelsesværdigt højere end de blandede prøver. Som resultat, de biosyntetiserede CNT'er/BC nanokompositter opnår en ekstrem høj mekanisk styrke og elektrisk ledningsevne, hvilket er af afgørende betydning for praktisk anvendelse.nanokompositter. Aerosoler af flydende næringsstof og nanoskala byggestenssuspensioner blev tilført bioreaktoren med filtreret trykluft, som blev styret af et automatisk styresystem. b til d, Skematisk illustration af dannelsens ensartede BC-baserede nanokompositter med 0D nanopartikler, 1D nanorør eller nanotråde, og 2-D nanoark. e, Fotografi af en stor CNTs/BC pellicle med et volumen på 800×800×8 mm3. f, Sammenligning af trækstyrken af ​​de biosyntetiserede CNT'er/BC nanokompositter med blandede CNT'er/BC nanokompositter. g, Elektrisk ledningsevne af CNTs/BC-filmene som funktion af CNTs volumen og vægtfraktion. Genoptrykt med tilladelse fra Oxford University Press.

"På trods af det faktum, at vi i øjeblikket fokuserer på CNT-baserede nanokomposit aerogeler og film i dette arbejde, alle de biosyntetiserede pellikler kan omdannes til tilsvarende funktionelle bulk nanokompositter.", siger GUAN Qing-Fang, den første forfatter til dette værk. For eksempel, de biosyntetiserede Fe3O4/BC nanokompositfilm udviste superparamagnetisk adfærd og høj trækstyrke, som forventes at være nyttige inden for forskellige områder såsom elektromagnetiske aktuatorer, smarte mikrofluidiske enheder, og biomedicin. "Ved at opgradere den state-of-the-art produktionslinje, der producerer rene bakterielle cellulose pellikler, produktion i industriel skala af disse bulk nanokompositmaterialer til praktiske anvendelser kan forventes i den nærmeste fremtid." forskerne giver et positivt syn.