Из бактериальной целлюлозы сделали разлагающиеся в почве соломинки

Китайские материаловеды сделали из бактериальной целлюлозы и альгината водостойкие трубочки для напитков. Трубочки выдерживают нагрев до 95 градусов Цельсия и нагрузку в 420 мегапаскалей, а в почве полностью разлагаются всего за 45 дней. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Ученые активно ищут перерабатываемые материалы, которые смогут стать заменой пластику. Одной из таких альтернатив стала целлюлоза — природный полисахарид, то есть полимер, состоящий из повторяющихся блоков глюкозы. Люди уже неплохо научились использовать недорогую растительную целлюлозу — например, в прошлом году немецкие и китайские ученые сделали из нее материал, который меняет форму при погружении в воду. Однако, существует и целлюлоза бактериального происхождения. Она стоит дороже, зато имеет более высокую кристалличность и обладает большей прочностью за счет образования трехмерной сети связей между соседними волокнами. Кроме того, в отличие от растительной целлюлозы, бактериальную не надо очищать от примесей лигнина и гемицеллюлозы.

Китайские материаловеды под руководством Шу Хун Юя (Shu-Hong Yu) из Научно-технического университета Китая изготовили из бактериальной целлюлозы трубочки для напитков. Ученые использовали целлюлозу, полученную с помощью бактерий Gluconacetobacter xylinus. Сначала из глюкозы с добавками экстракта дрожжей приготовили гидрогель целлюлозы, а затем гидрогель высушили и получили пленки, из которых сделали трубочки. Чтобы сделать трубочки водостойкими, их пропитали раствором альгината натрия. Альгинат, как и целлюлоза, является природным полисахаридом и имеет множество свободных гидроксильных групп. Во время пропитывания между альгинатом и целлюлозой образуются водородные связи. Готовые трубочки также на час опускали в раствор лактата кальция: каждый двухвалентный ион кальция образует по две связи с альгинатом, которые дополнительно скрепляет материал.

Сканирующая электронная микроскопия показала, что полученные образцы пленки состоят из нескольких макрослоев толщиной 0,02-0,03 миллиметра, каждый из которых в свою очередь состоит из нескольких десятков микрослоев.

Целлюлозно-альгинатная пленка продемонстрировала предел прочности до 420,5 мегапаскалей — в десять раз больше, чем бумажная пленка такой же толщины (40,8 Мегапаскалей). Кроме того, оказалось, что альгинатное покрытие положительно влияет на механические свойства — у образцов без покрытия предел прочность был почти на 25 процентов ниже. Причина, по всей видимости, в образовании дополнительных водородных связей между слоями целлюлозы.

Трубочки из целлюлозы с альгинатом оказались стабильными в различных напитках — соке, воде, коле и зеленом чае — при температуре от 0 до 95 градусов Цельсия.

При закапывании в почву целлюлозные трубочки теряли целостность уже через 15 дней и полностью исчезали за 45 дней. Пластиковые трубочки, которые закапывали на тот же период времени, никак внешне не изменялись. Авторы особо отмечают, что целлюлозно-альгинатный композит разлагается в почве полностью, не образуя аналога частиц микропластика или других вредных остатков.
Стоимость трубочек в основном определяется стоимостью сырья для биосинтеза и альгината. Авторы полагают, что при промышленном производстве стоимость может опуститься до 0,003 долларов США за штуку, что будет сравнимо со стоимостью пластиковых трубочек (0,002 доллара США за штуку).

В конце 2020 года китайские ученые изготовили корпус для смартфона из композита целлюлозы и слюды. Благодаря слоистой структуре, напоминающей структуру перламутра, материал оказался устойчив к механическим нагрузкам и нагреванию, но в то же время пластичен.

Наталия Самойлова