Более десяти лет известно, что в речном и морском иле обитают многоклеточные бактерии, способные проводить электрический ток на расстояние в тысячи раз длиннее собственной клетки. Механизм этого процесса оставался загадкой, так как стандартные биологические системы не рассчитаны на такой перенос электронов. Исследователи из Антверпенского университета использовали методы с атомарным разрешением и обнаружили внутри клеток не обычные белки или железосерные кластеры, а металл-органический каркас — материал, который химики обычно синтезируют в лабораториях для электроники.
Структура проводящих волокон
Кабельные бактерии — это нитевидные организмы длиной до нескольких сантиметров, живущие на границе кислородной и бескислородных зон в осадке. Клетки в глубине захватывают электроны из сероводорода, а поверхностные отдают их кислороду. Ток течёт по волокнам, проходящим сквозь цепочку клеток, разделяя метаболизм в пространстве. Ранее та же группа учёных показала, что общая проводимость волокон достигает 500 См/см (сименс на сантиметр).
В новом исследовании авторы применили электронную микроскопию, рентгеновскую спектроскопию и компьютерное моделирование. Оказалось, что каждое проводящее волокно содержит в центральном канале около 11 нанолент толщиной примерно 1,4 нанометра. Они скручены подобно многожильному медному проводу.
Никелевое ядро и механизм проводимости
Сердце проводимости — комплекс NiBiD (Nickel Bis-Dithiolene), где атом никеля удерживается четырьмя атомами серы в органической молекуле. Эти плоские единицы уложены в стопки, создавая перекрывание электронных облаков. Такое устройство характерно для проводящих полимеров, а не для типичных биологических структур. Ток распространяется по делокализованной сети, а не скачками между изолированными центрами.
Если пересчитать электропроводность только на сами наноленты, показатель составляет от 150 до 15 000 См/см. Нижняя граница сопоставима с промышленными проводящими чернилами, а верхняя может стать рекордом для металл-органических структур и биоматериалов. Сейчас группа работает над подключением отдельных нанолент к микроэлектродам для точных измерений.
Перспективы для электроники
Бактерии выращивают упорядоченные наноленты самосборкой в водной среде при комнатной температуре. Это контрастирует с энергоёмкими процессами синтеза полимерных проводников. Исследователь Мейсман называет гибкую печатную электронику самым очевидным применением, где проводящие чернила наносят на подложки для создания схем и сенсоров.
Главное препятствие для внедрения технологии — стоимость масштабирования. Учёный подчёркивает, что необходимо доказать экономическую целесообразность производства биоматериала и его сопоставимость по свойствам с текущими электронными чернилами.
