Nueva técnica alinea nanofibras de celulosa bacteriana para crear biocompuestos multifuncionales de alta resistencia
Científicos de Rice University y la University of Houston han desarrollado un enfoque innovador y escalable para convertir la celulosa bacteriana en materiales multifuncionales de alta resistencia. El estudio, publicado en Nature Communications, introduce una técnica de biosíntesis dinámica que alinea las fibras de celulosa bacteriana en tiempo real, resultando en láminas de biopolímero robustas con propiedades mecánicas excepcionales.
Un problema que requiere solución urgente
La contaminación plástica persiste porque los polímeros sintéticos tradicionales se degradan en microplásticos, liberando químicos dañinos como bisfenol A (BPA), ftalatos y carcinógenos. Buscando alternativas sostenibles, el equipo de investigación liderado por Muhammad Maksud Rahman, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en la University of Houston y profesor asistente adjunto de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice, aprovechó la celulosa bacteriana —uno de los biopolímeros más abundantes y puros de la Tierra— como alternativa biodegradable.
La revolución del biorreactor rotacional
«Nuestro enfoque involucró el desarrollo de un biorreactor rotacional que dirige el movimiento de las bacterias productoras de celulosa, alineando su movimiento durante el crecimiento», explicó M.A.S.R. Saadi, primer autor del estudio y estudiante doctoral en ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice. «Esta alineación mejora significativamente las propiedades mecánicas de la celulosa microbiana, creando un material tan fuerte como algunos metales y vidrios, pero flexible, plegable, transparente y amigable con el medio ambiente.»
Características técnicas excepcionales
Las fibras de celulosa bacteriana normalmente se forman aleatoriamente, lo que limita su resistencia mecánica y funcionalidad. Al aprovechar la dinámica de fluidos controlada dentro de su novedoso biorreactor, los investigadores lograron la alineación in situ de las nanofibras de celulosa, creando láminas con resistencia a la tracción de hasta 436 megapascales.
Además, la incorporación de nanoláminas de nitruro de boro durante la síntesis resultó en un material híbrido con resistencia aún mayor —alrededor de 553 megapascales— y propiedades térmicas mejoradas, demostrando una tasa de disipación de calor tres veces más rápida que las muestras de control.
Aplicaciones multifuncionales sin precedentes
«Este enfoque de biosíntesis dinámica permite la creación de materiales más fuertes con mayor funcionalidad», dijo Saadi. «El método permite la fácil integración de varios aditivos a nanoescala directamente en la celulosa bacteriana, haciendo posible personalizar las propiedades del material para aplicaciones específicas.»
Shyam Bhakta, investigador postdoctoral en el Departamento de BioSciences en Rice, desempeñó un papel importante en el avance de los aspectos biológicos del estudio. Otros colaboradores de Rice incluyeron a:
- Pulickel Ajayan, profesor Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería
- Matthew Bennett, profesor de biociencias
- Matteo Pasquali, profesor A.J. Hartsook de Ingeniería Química y Biomolecular
El proceso: entrenando bacterias disciplinadas
«El proceso de síntesis es esencialmente como entrenar una cohorte bacteriana disciplinada», explicó Saadi. «En lugar de tener las bacterias moviéndose aleatoriamente, les instruimos para moverse en una dirección específica, alineando así precisamente su producción de celulosa. Este movimiento disciplinado y la versatilidad de la técnica de biosíntesis nos permite diseñar simultáneamente tanto la alineación como la multifuncionalidad.»
Impacto industrial y comercial
El proceso escalable de un solo paso tiene un gran potencial para numerosas aplicaciones industriales, incluyendo:
- Materiales estructurales
- Soluciones de gestión térmica
- Empaques
- Textiles
- Electrónicos verdes
- Sistemas de almacenamiento de energía
Hacia un futuro sin plásticos
Este trabajo es un gran ejemplo de investigación interdisciplinaria en la intersección de ciencia de materiales, biología y nanoingeniería», agregó Rahman. «Visualizamos que estas láminas de celulosa bacteriana fuertes, multifuncionales y ecológicas se vuelvan ubicuas, reemplazando plásticos en varias industrias y ayudando a mitigar el daño ambiental.
