Бактерии вырастили микроскопические «электропровода» с проводимостью до 15 000 См/см
Более десяти лет учёным известно, что в речном и морском иле живут многоклеточные бактерии, способные проводить электрический ток на сантиметры — расстояния в тысячи раз длиннее собственной клетки. Как именно это устроено, оставалось загадкой — биологические механизмы не рассчитаны на такую дальность переноса электронов. В новом исследовании команда из Антверпенского университета заглянула внутрь с атомарным разрешением и обнаружила там не белки, не привычные железосерные кластеры или упорядоченный никель-органический каркас — материал. Оказалось, что бактерии выращивают внутри себя настоящий металл-органический каркас — материал, который химики синтезируют в лабораториях для электроники, а живые системы, как считалось, не производят вовсе.
Кабельные бактерии — нитевидные многоклеточные организмы длиной до нескольких сантиметров, живущие в осадке на границе кислородной и бескислородной зон. Клетки, погружённые глубже, захватывают электроны из сероводорода, а клетки у поверхности сбрасывают их на кислород. Ток течёт по волокнам, проходящим сквозь всю цепочку клеток, и разделяет две половины метаболизма в пространстве — решение, не встречающееся больше нигде в живом мире. Ранее та же группа учёных показала, что проводимость этих волокон достигает 500 См/см (сименс на сантиметр) — величина, немыслимая для биологических структур, а перенос электронов идёт по никелевым центрам, а не по привычным для биологии железосерным кластерам.
Чтобы понять, как это работает, авторы применили целый стек методов — от электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии до компьютерного моделирования. Оказалось, что каждое проводящее волокно содержит в центральном канале примерно 11 нанолент толщиной около 1,4 нанометра, скрученных наподобие многожильного медного провода.
«Ощущение было очень знакомое: плетёный провод из тонких жил в защитной оболочке. Поразило не то, насколько чужеродно это выглядит, а насколько привычно. Эволюция придумала эту конструкцию за 600 миллионов лет до электриков»
— отметил руководитель исследования Филип Мейсман
Сердцевина проводимости — комплекс, названный авторами NiBiD (Nickel Bis-Dithiolene): атом никеля, удерживаемый четырьмя атомами серы в органической молекуле. Такие плоские единицы уложены в стопки, создавая перекрывание электронных облаков, характерное не для биологии, а для проводящих полимеров. Ток идёт не скачками между изолированными металлическими центрами, а распространяется по делокализованной сети — как в синтетическом органическом проводнике. Формально биологи впервые увидели металл-органический каркас (MOF), выращенный живым организмом.
Если пересчитать электропроводность не на всё сечение волокна, а только на сами наноленты, получается от 150 до 15 000 См/см. Сейчас группа работает над подключением отдельных нанолент к микроэлектродам для прямых измерений отдельных нанолент, — но даже нижняя граница сопоставима с показателями промышленных проводящих чернил. Если верхняя граница подтвердится, то это будет один из самых высоких показателей для металл-органических структур и абсолютный рекорд для известного биоматериала.
Это не только инженерный ориентир для новых материалов, но и фундаментальный сдвиг в понимании эволюционных возможностей.
Для прикладной электроники интерес представляет не только сама проводимость, но и способ производства. Бактерии выращивают упорядоченные наноленты самосборкой в водной среде при комнатной температуре — это полная противоположность энергоёмким процессам, требующимся для синтеза полимерных проводников. Мейсман называет гибкую печатную электронику самым очевидным применением, но подчёркивает: сначала нужно доказать, что биоматериал можно производить дёшево и что по свойствам он не уступает нынешним чернилам.
Главное препятствие на пути к технологии — стоимость масштабирования. «Задача в том, чтобы показать: биоматериал можно производить экономически оправданным способом, и что его свойства не хуже, чем у нынешних электронных чернил», — говорит Мейсман. Наиболее реалистичным применением он называет гибкую печатную электронику, где проводящие чернила наносятся на подложки для создания схем и сенсоров.