I filmen Avengers:Infinity War , en av de coolaste scenerna inträffar när Iron Man aktiverar sin nanoteknologiska rustning. I verkligheten, Att utveckla en teknik för att sätta ihop nanomaterial till makroskopiska bulkmaterial som bibehåller sina unika egenskaper i nanoskala är fortfarande en utmanande uppgift. Denna fråga hämmar också den praktiska industriella tillämpningen av nanomaterial.

En möjlig lösning är att tillhandahålla ett skelett som kan hålla ihop de enskilda nanomaterialen och på så sätt konstruera funktionella nanokompositer i bulk, precis som armeringsjärnen i armerad betong. Bland många kandidater, bakteriell cellulosa (BC) nanofibriller, ett av de mest förekommande biomaterialen som kan produceras i stora mängder till låg kostnad via bakteriell fermentering, är gynnade av forskare inte bara för hög draghållfasthet jämförbar med stål och Kevlar, men också för det robusta 3-D nanofibrösa nätverk som de bildar. Dock, den konventionella processen för tillverkning av BC nanokompositer kräver sönderdelning av en sådan 3D-nätverksstruktur, vilket allvarligt försämrar de mekaniska egenskaperna hos de konstruerade nanokompositerna. Målet för forskare är att integrera nanoskala byggstenar i en BC-matris samtidigt som BC:s 3D-nätverksstruktur bevaras.

Som svar på denna utmaning utvecklade forskare under ledning av professor YU Shu-Hong från University of Science and Technology of China (USTC) nyligen en generell och skalbar biosyntesstrategi, som involverar samtidig tillväxt av cellulosananofibriller genom mikrobiell fermentering och samdeponering av olika typer av nanoskala byggstenar (NBB) genom aerosolmatning (den intermittenta sprayen av flytande näringsämnen och NBBs suspension) på fasta odlingssubstrat. Jämfört med statisk jäsning i flytande näringsämnen dispergerade med NBB, denna metod övervinner diffusionsbegränsningen av enheter i nanoskala från det nedre vätskemediet till det övre ytskiktet av nyväxt BC, framgångsrikt producera en serie enhetliga bulk nanokompositer som består av BC och nanoskala byggstenar av olika dimension, former, och storlekar. Metoden kan lätt skalas upp för potentiella industriella tillämpningar genom att använda stora reaktorer och öka antalet munstycken.

Tack vare den enhetliga fördelningen av NBB i de biosyntetiserade nanokompositerna, forskare kunde justera innehållet i kolnanorör (CNT) inom ett brett intervall från 1,5 viktprocent till 75 viktprocent genom att ändra koncentrationen av CNT-suspensioner. Observera att den konventionella tillverkningsmetoden för CNTs nanokompositer som kräver blandning av CNTs dispersioner med polymerlösningar endast är tillämplig för att framställa polymernanokompositer med låga CNTs ( <10 viktprocent, eftersom det är extremt svårt att homogent dispergera högkoncentrations-CNT i polymervärdar.

För att ytterligare demonstrera fördelarna med biosyntesstrategin för framställning av mekaniskt förstärkta nanokompositer, CNTs/BC nanokompositfilmer framställdes också för jämförelse genom blandning av CNTs och sönderfallna BC-suspensioner. Både draghållfastheten och Youngs modul för de biosyntetiserade CNTs/BC nanokompositerna var anmärkningsvärt högre än de blandade proverna. Som ett resultat, de biosyntetiserade CNT/BC nanokompositerna uppnår en extremt hög mekanisk styrka och elektrisk ledningsförmåga, vilket är av avgörande betydelse för praktisk tillämpning.nanokompositer. Aerosoler av flytande näringsämnen och nanoskala byggstenssuspensioner matades in i bioreaktorn med filtrerad tryckluft, som styrdes av ett automatiskt styrsystem. b till d, Schematisk illustration av bildningens enhetliga BC-baserade nanokompositer med 0D nanopartiklar, 1D nanorör eller nanotrådar, och 2-D nanoark. e, Fotografi av en stor CNTs/BC-pellicle med en volym på 800×800×8 mm3. f, Jämförelse av draghållfastheten hos de biosyntetiserade CNT/BC nanokompositerna med blandade CNT/BC nanokompositer. g, Elektrisk ledningsförmåga hos CNTs/BC-filmerna som en funktion av CNTs volym och viktfraktion. Omtryckt med tillstånd av Oxford University Press.

"Trots det faktum att vi för närvarande fokuserar på CNT-baserade nanokompositaerogeler och filmer i detta arbete, alla biosyntetiserade pelliklar kan omvandlas till motsvarande funktionella nanokompositer i bulk.", säger GUAN Qing-Fang, den första författaren till detta verk. Till exempel, de biosyntetiserade Fe3O4/BC nanokompositfilmerna uppvisade superparamagnetiskt beteende och hög draghållfasthet, som förväntas vara användbara inom olika områden såsom elektromagnetiska ställdon, smarta mikrofluidiska enheter, och biomedicin. "Genom att uppgradera den toppmoderna produktionslinjen som producerar rena bakteriecellulosapelliklar, industriell skala produktion av dessa bulk nanokompositmaterial för praktiska tillämpningar kan förväntas inom en snar framtid." forskarna ger en positiv syn.