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西安吴文塑料瓶转-哈佛大学《Nature子刊》工程生物膜水处理,生物降解和涂覆水塑料

转载注明:牛宝体育  comsevent.com 发布时间: 2021-03-20 10:30:36 点击次数: 208

 牛宝体育 转载网络:基于(yu)(yu)石油(you)化(hua)学(xue)(xue)的(de)塑(su)料(liao)(liao)不(bu)仅污(wu)染(ran)了(le)全球各地,而(er)且由于(yu)(yu)其不(bu)可(ke)生(sheng)(sheng)物降解性,还对生(sheng)(sheng)态系统造成了(le)潜在(zai)的(de)不(bu)可(ke)逆转的(de)破坏。由于(yu)(yu)生(sheng)(sheng)物塑(su)料(liao)(liao)的(de)数量有限,迫切需要设计和开(kai)发(fa)更多可(ke)生(sheng)(sheng)物降解的(de)替代品(pin)以(yi)减轻塑(su)料(liao)(liao)的(de)威(wei)胁。最近,哈(ha)佛(fo)大学(xue)(xue)Neel S. Joshi教授(shou)团队报告(gao)了(le)水塑(su)塑(su)料(liao)(liao),这(zhei)是一类新型(xing)的(de)基于(yu)(yu)微生(sheng)(sheng)物生(sheng)(sheng)物膜的(de)可(ke)生(sheng)(sheng)物降解生(sheng)(sheng)物塑(su)料(liao)(liao),可(ke)水处理,坚固(gu),可(ke)模板化(hua)和可(ke)涂覆。相关论文以(yi)题为Water-processable, biodegradable and coatable aquaplastic from engineered biofilms发(fa)表在(zai)《Nature Chemical Biology》上。

在此,对大肠(chang)杆菌进行了基因(yin)工(gong)程改(gai)造(zao),以生产基于蛋白质的水(shui)凝胶(jiao),然后在环(huan)境(jing)条(tiao)件下将其浇铸(zhu)和(he)干燥,以生产可耐受(shou)强(qiang)酸/碱和(he)有机溶剂(ji)的水(shui)塑料。此外,可以使用水对水塑塑料进行修复和焊接,以形成三维结构。直接的微生物制造,水加工性和生物降解性相结合,使水塑料成为一种独特的材料,值得在包装和涂料应用中进一步探索。

【图(tu)文解析(xi)】

作者证(zheng)明了水(shui)(shui)(shui)(shui)塑料(liao)(liao)是一种新型的(de)可水(shui)(shui)(shui)(shui)处理(li)的(de)生物塑料(liao)(liao),它是从细(xi)菌培养物中(zhong)直接纯化(hua)而来,只需很少的(de)纯化(hua),就可以很容易地(di)从水(shui)(shui)(shui)(shui)凝胶状态加(jia)工成大块材料(liao)(liao)(图1a–c)。水(shui)(shui)(shui)(shui)塑料(liao)(liao)的(de)机械性(xing)能可与石化(hua)塑料(liao)(liao)和(he)其他(ta)生物塑料(liao)(liao)相媲美(mei)。此外(wai),水(shui)(shui)(shui)(shui)塑料(liao)(liao)具(ju)有独特的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)可加(jia)工特性(xing),称其为水(shui)(shui)(shui)(shui)塑,水(shui)(shui)(shui)(shui)焊和(he)水(shui)(shui)(shui)(shui)修复。

图(tu)(tu)1:直接从工程(cheng)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜中制(zhi)(zhi)(zhi)备水(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料。a–c,通过基(ji)因(yin)工程(cheng)细菌的水(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料制(zhi)(zhi)(zhi)造原(yuan)理图(tu)(tu),这些细菌经(jing)过编程(cheng)可生(sheng)(sheng)产基(ji)于卷曲纤维(wei)的功能性(xing)水(shui)凝胶(jiao),该水(shui)凝胶(jiao)可模制(zhi)(zhi)(zhi)成(cheng)二(er)维(wei)(2D)和(he)三维(wei)(3D)结构(gou)(a),并进行水(shui)模焊接(b)和(he)水(shui)上修复(fu)(c)。SDS,十二(er)烷(wan)基(ji)硫(liu)酸钠;GdmCl,氯化胍。d,生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜水(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料的图(tu)(tu)像(左),curli水(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料(中间)和(he)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜水(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料的柔韧(ren)性(xing)(右)。比例尺,0.5 cm。e,3D模制(zhi)(zhi)(zhi)的水(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料的图(tu)(tu)像:碗(wan),圆锥,球体(ti)和(he)圆柱体(ti)。比例尺,1 cm。

水塑料的理化特性

热(re)重分析(xi)(TGA)表(biao)明,高于200 aC时,生(sheng)物(wu)(wu)膜水(shui)生(sheng)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)和卷(juan)(juan)曲水(shui)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)都开始降解(图(tu)(tu)(tu)2a)。对水(shui)族塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)差示(shi)(shi)扫(sao)描量(liang)热(re)法(DSC)分析(xi)显示(shi)(shi),在(zai)(zai)冷却周期中,分别(bie)(bie)在(zai)(zai)150°C和145°C下(xia)生(sheng)物(wu)(wu)膜水(shui)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)和卷(juan)(juan)曲水(shui)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)玻璃化转变(bian)(图(tu)(tu)(tu)2b)。生(sheng)物(wu)(wu)膜水(shui)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)和卷(juan)(juan)曲水(shui)生(sheng)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)广角(jiao)X射线散射分析(xi)(WAXS)揭示(shi)(shi)了(le)CsgA的(de)(de)交叉β二级结(jie)构的(de)(de)特(te)征特(te)征,d间(jian)距(ju)(晶(jing)面间(jian)距(ju))值为(wei)0.98 nm和0.46 nm(图(tu)(tu)(tu)2c)。分别(bie)(bie)对应于β-折叠之间(jian)和β-折叠内部(bu)的(de)(de)距(ju)离(li),并表(biao)示(shi)(shi)通过(guo)水(shui)生(sheng)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)加(jia)工步(bu)骤可保持卷(juan)(juan)曲的(de)(de)淀(dian)粉样蛋白结(jie)构20。首先通过(guo)纳(na)米压痕研究了(le)水(shui)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)力学性(xing)能(neng),其杨(yang)氏模量(liang)值(E)分别(bie)(bie)为(wei)2.2±0.7 GPa(生(sheng)物(wu)(wu)膜水(shui)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao))和4.3±0.9 GPa(卷(juan)(juan)曲水(shui)生(sheng)塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao))(图(tu)(tu)(tu)2d-g)。发(fa)现(xian)(xian)最大载荷下(xia)相应的(de)(de)硬度(H)值为(wei)167±109 MPa和252±140 MPa,而屈服强度(σy)值(使用关系σy= H/3估算)为(wei)55±36 MPa和84分别(bie)(bie)为(wei)±47 MPa 22。在(zai)(zai)水(shui)塑(su)(su)薄膜上(shang)进行(xing)的(de)(de)拉(la)伸试验清楚地表(biao)明了(le)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)塑(su)(su)性(xing)变(bian)形(xing)(图(tu)(tu)(tu)2h)。生(sheng)物(wu)(wu)膜水(shui)族塑(su)(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)表(biao)现(xian)(xian)出E = 1±0.2 GPa(图(tu)(tu)(tu)2i),极限抗(kang)张强度(σ)为(wei)18±5 MPa(图(tu)(tu)(tu)2j),抗(kang)张韧性(xing)(UT)为(wei)102±57 MJ m-3。

图(tu)2:水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)物(wu)(wu)(wu)理和化学(xue)性(xing)质。a–c,TGA温(wen)度(du)(du)(du)曲线(xian)(xian)(xian)(xian)图(tu)(a),DSC温(wen)度(du)(du)(du)曲线(xian)(xian)(xian)(xian)图(tu)(b;加热周期(qi),实(shi)线(xian)(xian)(xian)(xian);冷却周期(qi),虚线(xian)(xian)(xian)(xian))和生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)膜水(shui)(shui)(shui)(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)和卷曲生(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)WAXS强度(du)(du)(du)分布图(tu)(c)。d–g,通过纳米(mi)压痕测(ce)试获得的(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)膜水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)和卷曲水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)力(li)学(xue)性(xing)能:在单(dan)个压痕周期(qi)(d),最大杨氏模量(liang)(e),硬度(du)(du)(du)(f)和屈服下最大压痕载荷(he)为(wei)1 mN时的(de)载荷(he)-位移曲线(xian)(xian)(xian)(xian) 强度(du)(du)(du)(克(ke))。对于(yu)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)膜水(shui)(shui)(shui)(shui)生(sheng)(sheng)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao),n=128,对于(yu)卷曲水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao),n = 82。h–j,通过拉伸(shen)试验获得的(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)膜水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)和卷曲水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)力(li)学(xue)性(xing)能:应力(li)-应变(bian)曲线(xian)(xian)(xian)(xian)(h),杨氏模量(liang)(i)和极限抗拉强度(du)(du)(du)(j)。k,基(ji)于(yu)暴露于(yu)废水(shui)(shui)(shui)(shui)来源的(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)财团后的(de)质量(liang)损失,与纳米(mi)纤(xian)维素相(xiang)比(bi),生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)膜水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)和卷曲水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)降解分析。

模板化和可涂覆的水(shui)塑料

水塑料(liao)制造的另一个特(te)征是能够在干燥过程中将(jiang)图案(an)模板化到其表面(mian)上。 对于这两种类(lei)型的水塑塑料(liao),在由30至35μm宽(kuan)的纤维组成的尼龙网(wang)片上干燥凝胶前驱体会(hui)导致网(wang)状图案(an)以高保(bao)真度转(zhuan)移(yi)到干燥的薄(bo)膜上(图3b)。

图3:耐化学腐蚀的(de)(de)水族(zu)塑料(liao)及其模板(ban)化的(de)(de)表(biao)面结构特性。a,图像显(xian)示(shi)了在有机溶(rong)剂(ji)(正己(ji)烷(wan),氯仿),强(qiang)酸(suan)(98%的(de)(de)硫酸(suan))和强(qiang)碱(18 M的(de)(de)氢氧化钠)中(zhong)暴露2分(fen)钟或24小(xiao)时后(hou)1平(ping)方(fang)厘米水生(sheng)塑料(liao)样品(pin)的(de)(de)稳(wen)定性 。比(bi)例尺,1 cm。b,场发射扫描电子显(xian)微镜(FESEM)图像显(xian)示(shi)了通过环(huan)境干燥在各种(zhong)表(biao)面(上排(pai))上对生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)水凝胶(jiao)进行模板(ban)化而(er)在生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)水上塑料(liao)上转移的(de)(de)图案(下(xia)排(pai))。

可水(shui)处理的水(shui)塑料

尽管水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)在(zai)(zai)暴露于(yu)水(shui)(shui)(shui)(shui)后(hou)会重(zhong)新水(shui)(shui)(shui)(shui)化的(de)(de)(de)趋势阻碍了(le)(le)它们在(zai)(zai)某些应用中(zhong)与石化塑(su)料(liao)的(de)(de)(de)直(zhi)接比较(jiao),但这确(que)实导致(zhi)了(le)(le)不(bu)寻常的(de)(de)(de)并且可能(neng)是有益的(de)(de)(de)材料(liao)性(xing)能(neng)特征(zheng)。将少量(liang)微(wei)升(sheng)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)倒在(zai)(zai)划痕(hen)上,使其风干2分钟(图4a)。在(zai)(zai)横向(xiang)水(shui)(shui)(shui)(shui)焊(han)接膜上进行的(de)(de)(de)拉伸(shen)试(shi)验表明,E=605±206 MPa,表明水(shui)(shui)(shui)(shui)塑(su)塑(su)料(liao)可以(yi)有效地与水(shui)(shui)(shui)(shui)焊(han)接(图4c,d)。可以(yi)利用这种(zhong)策略来(lai)创建自立式3D结构(gou),例如(ru)占地4 cm×4 cm的(de)(de)(de)微(wei)型房(fang)屋,该房(fang)屋由10个水(shui)(shui)(shui)(shui)焊(han)板(ban)组成(图4e)。

图(tu)4:水(shui)(shui)(shui)塑(su)料(liao)的(de)水(shui)(shui)(shui)生(sheng)(sheng)修复(fu)和水(shui)(shui)(shui)生(sheng)(sheng)焊(han)接。a,通(tong)过(guo)在(zai)磨损部位加(jia)水(shui)(shui)(shui)使水(shui)(shui)(shui)生(sheng)(sheng)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)的(de)划痕(hen)和划痕(hen)愈合。比例(li)尺(chi),20μm。b,以平行和垂直方(fang)向(xiang)对两个(ge)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)水(shui)(shui)(shui)塑(su)板(ban)进行水(shui)(shui)(shui)焊(han)。比例(li)尺(chi)为5毫米(mi)(mi)(光学图(tu)像(xiang))和20微米(mi)(mi)(FESEM图(tu)像(xiang))。c,水(shui)(shui)(shui)熔生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)水(shui)(shui)(shui)塑(su)塑(su)料(liao)的(de)应力-应变曲线。d,通(tong)过(guo)水(shui)(shui)(shui)焊(han)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)水(shui)(shui)(shui)族塑(su)料(liao)的(de)拉伸试验(yan)获(huo)得的(de)杨氏模量(n = 5)。条形图(tu)显示平均值(zhi)。误差(cha)棒(bang)代表(biao)标准偏差(cha)。e,一(yi)种(zhong)3D架(jia)构,一(yi)种(zhong)由塑(su)料(liao)焊(han)接2D面板(ban)构成的(de)塑(su)料(liao)房屋。比例(li)尺(chi),1 cm。

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