Аэрозольный биосинтез позволяет создавать функциональные объемные нанокомпозиты

Разработка метода сборки наноматериалов в макроскопические объемные материалы, сохраняющие их уникальные свойства на наноуровне, остается сложной задачей. Это сдерживает промышленное применение наноматериалов.

Одно из решений — использование каркаса, который удерживает наноматериалы вместе, подобно арматуре в железобетоне. Ученые выделяют нановолокна бактериальной целлюлозы (БЦ), которые образуют прочную 3D-нановолокнистую сеть. Однако традиционные методы создания нанокомпозитов на основе БЦ требуют разрушения этой 3D-структуры, что ухудшает механические свойства материала. Цель — внедрить наноразмерные строительные блоки в матрицу БЦ, сохранив ее 3D-сеть.

Группа под руководством профессора Ю Шу-Хуна из Научно-технологического университета Китая (USTC) разработала универсальный и масштабируемый метод биосинтеза. Он включает одновременный рост нановолокон целлюлозы путем микробного брожения и соосаждение различных наноразмерных строительных блоков (НСБ) с помощью аэрозольной подачи (прерывистое распыление жидких питательных веществ и суспензии НСБ) на твердые субстраты.

По сравнению со статическим брожением в жидкой среде с диспергированными НСБ, этот метод преодолевает ограничение диффузии наночастиц из нижнего жидкого слоя к верхнему слою растущей БЦ. Это позволяет получать серию однородных объемных нанокомпозитов из БЦ и НСБ разной размерности, формы и размера. Метод легко масштабируется для промышленного применения с использованием больших реакторов и увеличения числа распылителей.

Благодаря равномерному распределению НСБ в биосинтезированных нанокомпозитах, исследователи смогли варьировать содержание углеродных нанотрубок (УНТ) в широком диапазоне — от 1.5 мас.% до 75 мас.%, меняя концентрацию суспензии УНТ. Традиционный метод смешивания дисперсий УНТ с полимерными растворами применим только для получения нанокомпозитов с низким содержанием УНТ (< 10 мас.%), так как равномерно диспергировать высокие концентрации УНТ в полимерной матрице крайне сложно.

Для демонстрации преимуществ метода в создании механически усиленных материалов, были также приготовлены пленки УНТ/БЦ путем смешивания суспензий УНТ и разрушенной БЦ. Предел прочности при растяжении и модуль Юнга биосинтезированных нанокомпозитов УНТ/БЦ оказались значительно выше, чем у смешанных образцов. В результате биосинтезированные композиты УНТ/БЦ обладают чрезвычайно высокой механической прочностью и электропроводностью, что критически важно для практического применения.

«Хотя в данной работе мы сосредоточились на аэрогелях и пленках на основе УНТ, все биосинтезированные мембраны можно преобразовать в соответствующие функциональные объемные нанокомпозиты», — говорит первый автор работы ГУАНЬ Цин-Фан. Например, биосинтезированные пленки Fe₃O₄/БЦ проявляют суперпарамагнитное поведение и высокую прочность на растяжение, что может быть полезно в электромагнитных актуаторах, устройствах для умной микрофлюидики и биомедицине.

«Модернизировав современную производственную линию по выпуску чистых мембран из бактериальной целлюлозы, можно ожидать промышленного производства этих объемных нанокомпозиционных материалов для практического применения в ближайшем будущем», — дают положительный прогноз исследователи.