L’umanità ha generato nel 2024 approssimativamente 485 miliardi di chilogrammi di scarti plastici, una quantità astronomica che sfida ogni comprensione. Comuni oggetti come contenitori per bevande o involucri da spedizione necessitano di centinaia di anni per decomporsi naturalmente, spingendo gli studiosi verso la ricerca di sostanze che si dissolvano rapidamente dopo l’utilizzo.
Il professor Maksud Rahman dell’Università di Houston, collaborando con esperti della Rice University, ha messo a punto membrane di cellulosa batterica capaci di rivaleggiare con i metalli per solidità ma che si disintegrano come i materiali cartacei tradizionali.
Indice
Lo studio in un minuto
Un team di ricercatori guidato da Maksud Rahman dell’Università di Houston ha sviluppato un materiale innovativo, la cellulosa batterica, che potrebbe porre fine ai rifiuti di plastica. Questo biopolimero, prodotto da batteri come Novacetimonas hansenii, è resistente come il metallo ma si decompone facilmente come la carta. I fogli ottenuti raggiungono valori impressionanti di resistenza alla trazione (fino a 553 MPa) e possono essere utilizzati in vari settori, dall’imballaggio all’elettronica flessibile, fino alle medicazioni per ferite.
La cellulosa batterica differisce da altre soluzioni per: trasparenza, e flessibilità, e adatta anche per applicazioni biomediche, grazie alla sua compatibilità con i tessuti umani. Non rilascia microplastiche nell’ambiente e si degrada completamente durante il compostaggio. Per migliorarne le proprietà, i ricercatori hanno aggiunto nanomateriali come il nitruro di boro, aumentando resistenza e conducibilità termica.
Attualmente, la produzione avviene su piccola scala in laboratorio, ma il team sta lavorando per renderla industriale ottimizzando ossigeno, nutrienti e condizioni di crescita. Se scalata, questa tecnologia potrebbe integrarsi nei sistemi di fermentazione esistenti, offrendo un’alternativa ecologica alla plastica tradizionale. Questo materiale rappresenta una svolta significativa nella lotta all’inquinamento, combinando prestazioni elevate e sostenibilità ambientale. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, apre la strada a un futuro in cui la plastica potrebbe essere sostituita da soluzioni più sicure e rispettose del pianeta.
Le caratteristiche vantaggiose della cellulosa batterica
Questo biopolimero viene sintetizzato esternamente alla membrana cellulare di microrganismi come Novacetimonas hansenii, generando filamenti dello spessore di pochi nanometri che si interconnettono similmente alle strisce adesive e raggiungono valori di tenacità superiori a 400 MPa.
La purezza della struttura fibrosa, la sua natura porosa e l’affinità con i tessuti biologici umani rendono questa cellulosa già impiegata nel campo medico come protezione trasparente per lesioni cutanee, diminuendo il dolore e accelerando il processo di cicatrizzazione.
La produzione microbica di membrane resistenti
Rahman immagina che queste membrane di cellulosa batterica, caratterizzate da robustezza, multifunzionalità e sostenibilità ambientale, possano diffondersi capillarmente, rimpiazzando i materiali plastici in numerosi ambiti industriali e contribuendo alla diminuzione del degrado ecologico.
Attraverso un movimento rotatorio costante e graduale all’interno di un contenitore permeabile all’ossigeno, i microrganismi si spostano in maniera coordinata e depositano ciascun filamento in sequenza ordinata, trasformando strutture caotiche in configurazioni regolari che raggiungono i 436 MPa di robustezza e un modulo di 32 GPa.
Il dottorando M.A.S.R. Saadi ha evidenziato come le membrane di cellulosa batterica ottenute manifestino elevata tenacità, elasticità, capacità di piegarsi, trasparenza visiva e stabilità meccanica duratura nel tempo.
Il perfezionamento della cellulosa batterica
Il gruppo di ricerca ha successivamente incorporato scaglie di nitruro di boro esagonale, un composto bidimensionale caratterizzato da un modulo di Young prossimo a 0,8 TPa e una capacità di conduzione termica che può oltrepassare i 700 W m⁻¹ K⁻¹.
Nota:
1. Modulo di Young prossimo a 0,8 TPa:
Il "modulo di Young" è un modo per dire quanto un materiale è rigido o resistente alla deformazione quando viene tirato o compresso. Più alto è questo numero, più il materiale è difficile da piegare o rompere. Dire che è “prossimo a 0,8 TPa” significa che è incredibilmente rigido, quasi come alcuni metalli.
2. Capacità di conduzione termica oltre 700 W m⁻¹ K⁻¹:
La "conduzione termica" indica quanto velocemente un materiale riesce a trasferire calore. Se tocchi un metallo caldo, il calore si sente subito perché i metalli conducono bene il calore. Un valore di “oltre 700 W m⁻¹ K⁻¹” significa che questo materiale è super efficiente nel dissipare il calore, cioè lo fa allontanare rapidamente. Questo è utile, ad esempio, per evitare che un dispositivo si surriscaldi.
L’inserimento delle scaglie tra i filamenti di cellulosa ha incrementato la resistenza fino a 553 MPa mentre la dispersione del calore è triplicata, portando Rahman a descrivere il procedimento monostadio come una metodologia di biosintesi espandibile e adattabile con diversi nanomateriali.
Applicazioni concrete della cellulosa batterica
Una membrana così solida potrebbe essere modellata per realizzare contenitori monouso per liquidi, rivestire buste postali o rinforzare componenti elettronici basati su fibre senza generare particelle di microplastica.
Le imprese del settore biomedico stanno esplorando lo stesso materiale per bendaggi per ustioni e supporti per tessuti, considerando che la cellulosa batterica assorbe i fluidi ma li rilascia gradualmente, mantenendo le lesioni adeguatamente idratate.
I polimeri derivati dal petrolio persistono proprio perché la loro struttura carboniosa resiste agli attacchi dei microrganismi, mentre la cellulosa si decompone facilmente in condizioni di compostaggio standard, evitando emissioni aggiuntive di CO₂ derivante dai combustibili fossili.
Durabilità temporale
Attualmente, la produzione nei reattori di laboratorio raggiunge circa 7,5 mg giornalieri; i contenitori industriali dovranno incrementare questa quantità senza compromettere il delicato equilibrio di ossigeno necessario ai microrganismi.
Il nitruro di boro introduce costi e impatti legati all’estrazione mineraria, quindi gli ingegneri sperimenteranno altre piastre minerali o nanofibre vegetali che potrebbero fornire rigidità equivalente a prezzi più accessibili.
Le prove di resistenza hanno dimostrato che le membrane di cellulosa batterica conservano forma e solidità anche dopo 10.000 cicli di sollecitazione meccanica. In condizioni di stress che riproducono l’affaticamento del mondo reale, la loro struttura è rimasta integra, senza crepe visibili o separazioni superficiali.
La reazione del materiale alle sollecitazioni ripetute indica che potrebbe essere idoneo per impieghi prolungati in elettronica flessibile, dispositivi medici o applicazioni leggere che necessitano sia elasticità che resistenza.
Incorporazione di altri materiali per nuove caratteristiche
Il team ha utilizzato nanofogli di nitruro di boro per potenziare resistenza e conducibilità termica, ma lo stesso sistema potrebbe accogliere altri additivi.
Sostanze come ossido di grafene, nanocristalli di cellulosa o nanofogli di argilla potrebbero conferire conducibilità, resistenza al fuoco o controllo dell’umidità secondo l’applicazione desiderata.
Poiché i batteri generano cellulosa in tempo reale, le particelle aggiunte vengono integrate direttamente nella rete di fibre.
Questo consente ai ricercatori di personalizzare il comportamento di ogni foglio durante la crescita, senza necessità di ulteriori fasi produttive post-fabbricazione.
Valutazioni del ciclo di vita, analisi normative e studi sulla percezione dei consumatori sono ancora in corso, ma l’approccio basato sul flusso suggerisce un futuro in cui la robustezza degli imballaggi non significherà più inquinamento permanente.
Strategie per incrementare la produzione di cellulosa batterica
Attualmente, il sistema impiega un dispositivo di coltura rotazionale personalizzato che ruota a 60 giri al minuto e produce circa 7,5 mg di materiale secco giornalmente.
Funziona adeguatamente per i test di laboratorio, ma le applicazioni industriali richiederanno volumi significativamente maggiori e tempi produttivi più rapidi. Per scalare, gli ingegneri dovranno ottimizzare il flusso di ossigeno, il riciclo dei nutrienti e le prestazioni delle colture batteriche mantenendo l’allineamento intatto.
In caso di successo, il metodo potrebbe essere adattato alle infrastrutture di fermentazione o bioreattori esistenti con modifiche minime.
Confronto tra cellulosa batterica, plastica e metallo
Le membrane di cellulosa batterica allineate superano già numerosi polimeri commerciali e il vetro quando confrontati su grafici che correlano resistenza alla trazione e modulo di Young con la densità.
Questi grafici mostrano che il materiale raggiunge valori di rigidità vicini a quelli di alcuni metalli pur essendo significativamente più leggero.
Questo equilibrio tra resistenza e peso ridotto potrebbe renderlo interessante per l’aerospaziale, l’imballaggio strutturale o l’isolamento termico, dove ridurre il carico è importante ma le prestazioni non possono essere sacrificate.
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La ricerca:
- Lo studio è pubblicato su Nature Communications.
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