En la película Vengadores:guerra infinita , Una de las escenas más geniales ocurre cuando Iron Man activa su armadura nanotecnológica. En la vida real, desarrollar una técnica para ensamblar nanomateriales en materiales macroscópicos a granel que mantengan sus propiedades únicas a nanoescala sigue siendo una tarea desafiante. Este problema también obstaculiza la aplicación industrial práctica de los nanomateriales.

Una posible solución es proporcionar un esqueleto que pueda mantener unidos los nanomateriales individuales y así construir nanocompuestos funcionales a granel. al igual que las armaduras de acero en hormigón armado. Entre numerosos candidatos, nanofibrillas de celulosa bacteriana (BC), uno de los biomateriales más abundantes que se puede producir en grandes cantidades a bajo costo mediante fermentación bacteriana, son favorecidos por los científicos no solo por su alta resistencia a la tracción comparable al acero y Kevlar, sino también por la robusta red de nanofibras tridimensionales que forman. Sin embargo, el proceso convencional de fabricación de nanocomposites BC requiere la desintegración de dicha estructura de red 3-D, lo que perjudica gravemente las propiedades mecánicas de los nanocomposites construidos. El objetivo de los investigadores es incorporar bloques de construcción a nanoescala en una matriz BC mientras se preserva la estructura de red tridimensional de BC.

En respuesta a este desafío, los investigadores dirigidos por el profesor YU Shu-Hong de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) desarrollaron recientemente una estrategia de biosíntesis general y escalable, que implica el crecimiento simultáneo de nanofibrillas de celulosa a través de fermentación microbiana y co-deposición de varios tipos de bloques de construcción a nanoescala (NBB) a través de la alimentación en aerosol (la pulverización intermitente de nutrientes líquidos y suspensión de NBB) sobre sustratos de cultivo sólidos. En comparación con la fermentación estática en nutrientes líquidos dispersos con NBB, este método supera la limitación de difusión de las unidades a nanoescala desde el medio líquido del fondo hasta la capa superficial superior del BC recién desarrollado, producir con éxito una serie de nanocompuestos uniformes a granel compuestos de BC y bloques de construcción a nanoescala de diferentes dimensiones, formas y tamaños. El método puede ampliarse fácilmente para posibles aplicaciones industriales mediante el uso de reactores grandes y el aumento del número de boquillas.

Gracias a la distribución uniforme de los NBB en los nanocompuestos biosintetizados, los investigadores pudieron ajustar el contenido de nanotubos de carbono (CNT) en un amplio rango de 1,5% en peso a 75% en peso cambiando la concentración de las suspensiones de CNT. Tenga en cuenta que el método de fabricación convencional para nanocompuestos de CNT que requiere la mezcla de dispersiones de CNT con soluciones de polímero solo es aplicable para preparar nanocompuestos de polímero con bajo contenido de CNT ( <10% en peso), ya que es extremadamente difícil dispersar homogéneamente CNT de alta concentración en huéspedes poliméricos.

Para demostrar aún más las ventajas de la estrategia de biosíntesis para preparar nanocompuestos reforzados mecánicamente, También se prepararon películas de nanocompuestos CNT / BC para la comparación mediante la combinación de CNT y suspensiones BC desintegradas. Tanto la resistencia a la tracción como el módulo de Young de los nanocompuestos de CNT / BC biosintetizados fueron notablemente más altos que los de las muestras mezcladas. Como resultado, Los nanocompuestos biosintetizados de CNT / BC logran una resistencia mecánica y una conductividad eléctrica extremadamente altas, que es de crucial importancia para la aplicación práctica de nanocomposites. Se alimentaron aerosoles de nutrientes líquidos y suspensiones de bloques de construcción a nanoescala en el biorreactor con aire comprimido filtrado, que fue controlado por un sistema de control automático. b hasta d, Ilustración esquemática de la formación de nanocompuestos uniformes basados ​​en BC con nanopartículas 0D, Nanotubos o nanocables 1D, y nanohojas 2-D. mi, Fotografía de una película de CNTs / BC de gran tamaño con un volumen de 800 × 800 × 8 mm3. F, Comparación de la resistencia a la tracción de los nanocompuestos CNT / BC biosintetizados con nanocompuestos CNT / BC mezclados. gramo, Conductividad eléctrica de las películas de CNT / BC en función del volumen y la fracción de peso de CNT. Reproducido con permiso de Oxford University Press.

"A pesar de que actualmente nos estamos centrando en aerogeles y películas nanocompuestos basados ​​en CNT en este trabajo, todas las películas biosintetizadas se pueden convertir en nanocompuestos a granel funcionales correspondientes. ", dice GUAN Qing-Fang, el primer autor de este trabajo. Por ejemplo, las películas de nanocompuestos de Fe3O4 / BC biosintetizadas exhibieron un comportamiento superparamagnético y una alta resistencia a la tracción, que se espera que sean útiles en varios campos, como actuadores electromagnéticos, dispositivos de microfluidos inteligentes, y biomedicina. "Al actualizar la línea de producción de última generación que produce películas de celulosa bacteriana pura, La producción a escala industrial de estos materiales nanocompuestos a granel para aplicaciones prácticas se puede esperar en un futuro próximo. ", los investigadores ofrecen una perspectiva positiva.