In de film Avengers:Infinity War , een van de coolste scènes vindt plaats wanneer Iron Man zijn nanotech-pantser activeert. In het echte leven, het ontwikkelen van een techniek om nanomaterialen te assembleren tot macroscopische bulkmaterialen die hun unieke eigenschappen op nanoschaal behouden, blijft een uitdagende taak. Dit probleem belemmert ook de praktische industriële toepassing van nanomaterialen.

Een mogelijke oplossing is om een ​​skelet te leveren dat de individuele nanomaterialen bij elkaar kan houden en zo functionele bulk nanocomposieten kan construeren, net als de stalen wapeningsstaven in gewapend beton. Onder talrijke kandidaten, bacteriële cellulose (BC) nanofibrillen, een van de meest voorkomende biomaterialen die in grote hoeveelheden tegen lage kosten kan worden geproduceerd via bacteriële fermentatie, worden door wetenschappers begunstigd, niet alleen vanwege de hoge treksterkte vergelijkbaar met staal en Kevlar, maar ook voor het robuuste 3D-nanovezelnetwerk dat ze vormen. Echter, het conventionele proces van BC nanocomposieten fabricage vereist de desintegratie van een dergelijke 3D-netwerkstructuur, wat de mechanische eigenschappen van de geconstrueerde nanocomposieten ernstig aantast. Het doel voor onderzoekers is om bouwstenen op nanoschaal op te nemen in een BC-matrix met behoud van de 3D-netwerkstructuur van BC.

Als antwoord op deze uitdaging hebben onderzoekers onder leiding van professor YU Shu-Hong van de University of Science and Technology of China (USTC) onlangs een algemene en schaalbare biosynthesestrategie ontwikkeld, waarbij gelijktijdige groei van cellulose-nanofibrillen door microbiële fermentatie en co-depositie van verschillende soorten nanoschaalbouwstenen (NBB's) door aërosolvoeding (de intermitterende spray van vloeibare voedingsstoffen en NBB's-suspensie) op vaste kweeksubstraten inhoudt. Vergeleken met statische fermentatie in vloeibare nutriënten gedispergeerd met NBB's, deze methode overwint de diffusiebeperking van nanoschaaleenheden van het onderste vloeibare medium tot de bovenste oppervlaktelaag van nieuw gegroeid BC, met succes een reeks uniforme bulk-nanocomposieten produceren die zijn samengesteld uit BC- en nanoschaalbouwstenen van verschillende dimensies, vormen, en maten. De methode kan eenvoudig worden opgeschaald voor potentiële industriële toepassingen door het gebruik van grote reactoren en het vergroten van het aantal nozzles.

Dankzij de uniforme verdeling van NBB's in de gebiosynthetiseerde nanocomposieten, onderzoekers waren in staat om de inhoud van koolstofnanobuisjes (CNT's) in een breed bereik van 1,5 gew.% tot 75 gew.% af te stemmen door de concentratie van CNT's-suspensies te veranderen. Merk op dat de conventionele fabricagemethode voor CNT's-nanocomposieten die het mengen van CNT's-dispersies met polymeeroplossingen vereist, alleen van toepassing is om polymeernanocomposieten met lage CNT's te bereiden ( <10 gew.%), omdat het uiterst moeilijk is om CNT's met een hoge concentratie homogeen te dispergeren in polymere gastheren.

Om de voordelen van de biosynthesestrategie voor het bereiden van mechanisch versterkte nanocomposieten verder aan te tonen, CNT's / BC-nanocomposietfilms werden ook bereid voor vergelijking door CNT's en gedesintegreerde BC-suspensies te mengen. Zowel de treksterkte als de Young's modulus van de gebiosynthetiseerde CNT's / BC-nanocomposieten waren opmerkelijk hoger dan die van de gemengde monsters. Als resultaat, de gebiosynthetiseerde CNT's/BC-nanocomposieten bereiken een extreem hoge mechanische sterkte en elektrische geleidbaarheid, wat van cruciaal belang is voor de praktische toepassing.nanocomposieten. Aërosolen van vloeibare voedingsstoffen en suspensies van bouwstenen op nanoschaal werden met gefilterde perslucht in de bioreactor gevoerd, die werd bestuurd door een automatisch controlesysteem. b tot d, Schematische weergave van de vorming van uniforme BC-gebaseerde nanocomposieten met 0D-nanodeeltjes, 1D nanobuisjes of nanodraden, en 2D-nanobladen. e, Foto van een groot formaat CNTs/BC-pellicle met een volume van 800×800×8 mm3. F, Vergelijking van de treksterkte van de gebiosynthetiseerde CNT's/BC-nanocomposieten met gemengde CNT's/BC-nanocomposieten. G, Elektrische geleidbaarheid van de CNT's/BC-films als een functie van CNT's volume en gewichtsfractie. Herdrukt met toestemming van Oxford University Press.

"Ondanks het feit dat we ons momenteel concentreren op op CNT gebaseerde nanocomposiet-aerogels en films in dit werk, alle biosynthetische pellicles kunnen worden omgezet in overeenkomstige functionele bulk nanocomposieten.", zegt GUAN Qing-Fang, de eerste auteur van dit werk. Bijvoorbeeld, de gebiosynthetiseerde Fe3O4 / BC-nanocomposietfilms vertoonden superparamagnetisch gedrag en hoge treksterkte, die naar verwachting nuttig zullen zijn op verschillende gebieden, zoals elektromagnetische actuatoren, slimme microfluidics-apparaten, en biogeneeskunde. "Door de ultramoderne productielijn te upgraden die pure bacteriële cellulosepellicles produceert, productie op industriële schaal van deze bulk nanocomposietmaterialen voor praktische toepassingen kan in de nabije toekomst worden verwacht.", de onderzoekers geven een positieve kijk.