Nel film Avengers:Infinity War , una delle scene più belle si verifica quando Iron Man attiva la sua armatura nanotecnologica. Nella vita reale, lo sviluppo di una tecnica per assemblare nanomateriali in materiali sfusi macroscopici che mantengono le loro proprietà uniche su nanoscala rimane un compito impegnativo. Questo problema ostacola anche l'applicazione industriale pratica dei nanomateriali.

Una possibile soluzione è fornire uno scheletro che possa tenere insieme i singoli nanomateriali e quindi costruire nanocompositi sfusi funzionali, proprio come i ferri di armatura in acciaio in cemento armato. Tra i numerosi candidati, nanofibrille di cellulosa batterica (BC), uno dei biomateriali più abbondanti che può essere prodotto in grandi quantità a basso costo tramite fermentazione batterica, sono preferiti dagli scienziati non solo per l'elevata resistenza alla trazione paragonabile all'acciaio e al Kevlar, ma anche per la robusta rete nanofibrosa 3-D che formano. Però, il processo convenzionale di fabbricazione dei nanocompositi BC richiede la disintegrazione di una tale struttura di rete 3-D, che compromette gravemente le proprietà meccaniche dei nanocompositi costruiti. L'obiettivo dei ricercatori è incorporare elementi costitutivi su scala nanometrica in una matrice BC preservando la struttura di rete 3-D di BC.

In risposta a questa sfida, i ricercatori guidati dal professor YU Shu-Hong dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) hanno recentemente sviluppato una strategia di biosintesi generale e scalabile, che prevede la crescita simultanea di nanofibrille di cellulosa attraverso la fermentazione microbica e la co-deposizione di vari tipi di blocchi costitutivi su scala nanometrica (NBB) attraverso l'alimentazione di aerosol (lo spruzzo intermittente di nutrienti liquidi e sospensione di NBB) su substrati di coltura solidi. Rispetto alla fermentazione statica in nutrienti liquidi dispersi con NBB, questo metodo supera la limitazione della diffusione delle unità su scala nanometrica dal mezzo liquido inferiore allo strato superficiale superiore del BC appena cresciuto, producendo con successo una serie di nanocompositi sfusi uniformi composti da blocchi di BC e nanoscala di diverse dimensioni, forme, e dimensioni. Il metodo può essere facilmente ampliato per potenziali applicazioni industriali utilizzando grandi reattori e aumentando il numero di ugelli.

Grazie alla distribuzione uniforme degli NBB nei nanocompositi biosintetizzati, i ricercatori sono stati in grado di regolare il contenuto di nanotubi di carbonio (CNT) in un'ampia gamma dall'1,5% in peso al 75% in peso modificando la concentrazione delle sospensioni di CNT. Si noti che il metodo di fabbricazione convenzionale per nanocompositi CNT che richiede la miscelazione di dispersioni CNT con soluzioni polimeriche è applicabile solo per preparare nanocompositi polimerici con CNT bassi ( <10% in peso %), poiché è estremamente difficile disperdere in modo omogeneo CNT ad alta concentrazione in ospiti polimerici.

Per dimostrare ulteriormente i vantaggi della strategia di biosintesi per la preparazione di nanocompositi rinforzati meccanicamente, Sono stati inoltre preparati film nanocompositi CNT/BC per il confronto mediante miscelazione di CNT e sospensioni BC disintegrate. Sia la resistenza alla trazione che il modulo di Young dei nanocompositi CNT/BC biosintetizzati erano notevolmente superiori a quelli dei campioni miscelati. Di conseguenza, i nanocompositi CNT/BC biosintetizzati raggiungono una resistenza meccanica e una conduttività elettrica estremamente elevate, che è di importanza cruciale per l'applicazione pratica.nanocompositi. Gli aerosol di sostanze nutritive liquide e sospensioni di blocchi su scala nanometrica sono stati alimentati nel bioreattore con aria compressa filtrata, che era controllato da un sistema di controllo automatico. da b a d, Illustrazione schematica dei nanocompositi a base di BC uniformi di formazione con nanoparticelle 0D, nanotubi 1D o nanofili, e nanofogli 2-D. e, Fotografia di una pellicola CNT/BC di grandi dimensioni con un volume di 800×800×8 mm3. F, Confronto della resistenza alla trazione dei nanocompositi CNT/BC biosintetizzati con i nanocompositi CNT/BC miscelati. G, Conducibilità elettrica dei film CNT/BC in funzione del volume e della frazione ponderale dei CNT. Ristampato con il permesso della Oxford University Press.

"Nonostante il fatto che attualmente ci stiamo concentrando su aerogel e film nanocompositi a base di CNT in questo lavoro, tutte le pellicole biosintetizzate possono essere convertite in corrispondenti nanocompositi funzionali di massa.", dice GUAN Qing-Fang, il primo autore di quest'opera. Per esempio, i film nanocompositi Fe3O4/BC biosintetizzati hanno mostrato un comportamento superparamagnetico e un'elevata resistenza alla trazione, che dovrebbero essere utili in vari campi come attuatori elettromagnetici, dispositivi intelligenti di microfluidica, e biomedicina. "Migliorando la linea di produzione all'avanguardia che produce pellicole di pura cellulosa batterica, nel prossimo futuro è prevista la produzione su scala industriale di questi materiali nanocompositi sfusi per applicazioni pratiche.", i ricercatori forniscono una prospettiva positiva.