Des scientifiques ont récemment publié une étude dans "Nature Communications" indiquant qu'une équipe de l'Université Rice et de l'Université de Houston aux États-Unis a obtenu un alignement directionnel des fibres lors de la production de cellulose bactérienne grâce à un processus simple et évolutif, produisant un matériau d'origine biologique à la fois haute résistance et polyvalence, considéré comme prometteur pour remplacer certains plastiques traditionnels.
La pollution plastique est depuis longtemps un problème mondial. Les polymères synthétiques courants se décomposent en microplastiques dans l'environnement et libèrent des produits chimiques nocifs tels que le bisphénol A (BPA), les phtalates et certains cancérigènes. À cette fin, l'équipe de recherche dirigée par Mohammad Maqsood Rahman a porté son attention sur la cellulose naturelle biopolymère-bactérienne, riche en sources, de haute pureté et biodégradable.
Des études ont souligné que la cellulose bactérienne elle-même est composée de fibres à l’échelle nanométrique et possède une excellente base mécanique. Cependant, en raison de la direction désordonnée des fibres au cours du processus de croissance naturelle, la performance globale n'a pas été pleinement exploitée. De plus, lorsque d’autres nanocharges sont introduites dans ce réseau dense tridimensionnel, elles se heurtent également à des difficultés de dispersion et de pénétration, ce qui limite l’expansion des fonctions du matériau. Pour résoudre les problèmes ci-dessus, l'équipe a conçu un bioréacteur rotatif qui utilise le mouvement des fluides pour guider la direction du mouvement des bactéries productrices de cellulose afin qu'elles soient « forcées de s'aligner » pendant le processus de croissance, réalisant ainsi une croissance directionnelle des fibres.
M.A.S.R. Saadi, premier auteur de l'article et doctorant à l'Université Rice, a déclaré que cette méthode équivaut à « former une équipe disciplinée de bactéries », permettant aux bactéries nageant initialement au hasard de se déplacer dans une direction définie et de produire de la cellulose dans le processus. Grâce à cette stratégie de biosynthèse dynamique, les feuilles de cellulose bactérienne orientées produites par les chercheurs ont une résistance à la traction d'environ 436 MPa, ce qui est comparable en résistance à certains métaux et verres. Il est également flexible, pliable, transparent et respectueux de l’environnement.
Dans d’autres expériences, l’équipe a ajouté des nanofeuilles de nitrure de bore hexagonal directement à la solution nutritive de culture bactérienne, leur permettant d’être incorporées in situ dans le réseau de cellulose pendant le processus de synthèse. La résistance à la traction de ce matériau composite a été augmentée jusqu'à un maximum de 553 MPa, et ses performances thermiques ont également été considérablement améliorées. La conductivité thermique est environ trois fois supérieure à celle de l’échantillon témoin, ce qui contribue à dissiper rapidement la chaleur. Les chercheurs ont souligné que cette méthode facilite l'intégration de plusieurs nano-additifs au cours de l'étape de génération du matériau et permet d'adapter les propriétés mécaniques, thermiques et autres en fonction des exigences de l'application.
L’équipe estime que cette voie de préparation ascendante en une seule étape présente le potentiel d’une mise à l’échelle industrielle. Grâce à la simplification du processus et au large éventail de sources de matériaux, il devrait être appliqué à l'avenir dans les domaines de l'emballage, des textiles, des matériaux de structure, de la gestion thermique, des appareils électroniques verts et du stockage d'énergie. Rahman a souligné que ce travail démontre la puissance de la recherche interdisciplinaire en science des matériaux, en biologie et en nano-ingénierie, dans le but ultime de permettre à cette feuille de cellulose bactérienne solide, multifonctionnelle et respectueuse de l'environnement de remplacer certains plastiques dans divers scénarios et de réduire les dommages environnementaux.
L'équipe de recherche a conclu qu'en résolvant les problèmes de longue date d'orientation des fibres et de diffusion des charges qui nuisent à la cellulose bactérienne, ce procédé ouvre la porte à des matériaux d'ingénierie haute performance pour ce biopolymère naturel. Ils pensent que ce matériau biosourcé biodégradable et aux performances réglables constitue une voie réaliste pour réduire la dépendance aux plastiques traditionnels et apporte également une nouvelle imagination technologique au contrôle mondial de la pollution plastique.