Публикации: Материалы

Размеры некоторых микроорганизмов, например, вирусов, не превышают нескольких десятков нанометров в длину. До сих пор не удается получить однородные синтетические частицы таких размеров. Микроорганизмы же достаточно доступны, имеют одинаковый размер, и приемы работы с ними относительно просты. Как правило, для жизнеобеспечения микроорганизмов требуются умеренные температура, давление и кислотность среды. Поэтому микробы – идеальные кандидаты для разработки новых экологически чистых технологий, взамен прежних процессов, где часто применяются высокие температуры, давление и агрессивные среды.

Некоторые микроорганизмы способны усваивать соединения металлов и затем в процессе биосинтеза накапливать металл в виде структур со строгой пространственной конфигурацией. В статье [1] описан биосинтез кристаллов солей серебра бактериями Pseudomonas stutzeri штамма AG259. Этот вид бактерий обитает на месторождениях серебряных руд. В процессе метаболизма между цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой бактерий, в основном у полюсов клетки, образуются кристаллы солей серебра размером до 200 нм. Было показано, что бактерии способны образовывать не менее трех различных типов кристаллов с четкой пространственной структурой. Ученые предполагают, что, изменяя условия культивирования бактерий, можно будет синтезировать кристаллы с заданными параметрами. Возможность получать микрокристаллы серебра размером несколько нанометров чрезвычайно важна для микроэлектроники.

В большинстве случаев очень сложно получить наноструктурированный материал (CMOS, nanostructured complimentary metal oxide) и в то же время использовать его для создания оптоэлектронных устройств. В этом случае использование биологических объектов (подход «снизу вверх») позволяет осуществить синтез наноструктурированных материалов и самоорганизацию их в иерархические структуры. Диатомовые водоросли имеют «панцирь» (рис. 1), в состав которого входит диоксид кремния [2]. Их можно использовать для получения наноструктурированных частиц диоксида кремния. К сожалению, такой метод синтеза не предполагает получение точно одинаковых наноструктур, и тем более структуры на микроуровне (зависит от панциря водорослей, от вариаций в структуре водорослей). Также недостатком метода является то, что размер пор и сама структура получаемых материалов определены структурой бактерий. Чаще всего удаётся получить только аморфный диоксид кремния, так как отжиг при высокой температуре приводит к потере макропористой структуры [3]. Несмотря на это, целые и неповреждённые панцири диатомовых водорослей используют как фотонные кристаллы, оптические сенсоры, имеющие зелёную фотолюминесценцию, и также как темплаты для создания наноматериалов. В работе [4] рассмотрена возможность внедрения наноразмерного германия в диэлектрик – диоксид кремния – с использованием диатомовых водорослей Pinnularia sp. Стандартные методы для внедрения Ge в SiO₂ включают синтез при высоких температурах, например, ионная имплантация, лазерная абляция, магнетронное распыление. Недостатком метода с использованием водорослей является существование предела вводимых концентраций германия.

Необычные способности микроорганизмов можно усилить методами генной инженерии. В обзоре [5] опубликованы данные о регуляторном воздействии белков на процесс роста кристаллов. Было показано, что на поверхности клеток генетически модифицированной бактерии Esherichia coli вырабатываются белки, способные связываться с частицами золота. По меньшей мере, три таких белка, выделенных из клеток E. coli, ускоряли кристаллизацию золота из раствора и определяли морфологию полученных кристаллов.

Белок Mms6 на поверхности бактерий Magnetospirillum magneticum AMB-1 представляет интерес в связи с возможностью синтеза монодисперсных кристаллов магнетита кубоктаэдрической формы [6].

Ещё больше возможностей предоставляют вирусы. Их применение может открыть новые подходы к направленному синтезу материалов.

Группа ученых под руководством A. M. Belcher [7] использует частицы вируса, покрытые различными неорганическими материалами. Обработанные таким образом вирусы собираются в сложные пространственные структуры, которые представляют потенциальную ценность для создания оптических, магнитных и электронных устройств. В 2002 г. эта группа осуществила генетическую модификацию белков на верхнем конце частиц бактериофагов таким образом, чтобы фаги могли связываться с полупроводниковыми кристаллами сульфида цинка. При достаточно высокой концентрации частиц бактериофага в растворе они самостоятельно организовывались в структуру наподобие жидкого кристалла, в которой полупроводниковые кристаллы располагались по одной линии. Иными методами крайне трудно добиться такого расположения полупроводниковых материалов.

Исследователям из Northwestern University (США) удалось покрыть тонким слоем золота гифы – тонкие волокна, образованные грибом [8]. Споры гриба Aspergillus niger культивировали в присутствии частиц золота размером 13 нм. Частицы оседали на поверхности гиф. К частицам золота были присоединены фрагменты одноцепочечной ДНК, что позволяло присоединять другие микроскопические объекты, на поверхности которых находились комплементарные фрагменты ДНК. Аналогичные манипуляции были проделаны и с другими видами грибов, которые образуют гифы различного размера. Таким образом можно конструировать достаточно сложные структуры из наночастиц. С помощью грибов можно будет создавать материалы заданной наноструктуры для применения в оптике и электронике. Дрожжи в работе [9] используют для получения микросфер шпинели Co₃O₄.

Биоорганические материалы, такие как древесина, органическое волокно растений и продукты, получаемые на их основе, являются дешёвыми и регенерируемыми в природе. Данные материалы имеют различного размера поры и различную клеточную структуру. На их основе можно получить керамику и керамические композиты на основе оксидов или карбидов (рис. 2) [10]. Недостатками метода является то, что получаемые материалы не имеют строгую симметрию в расположении пор, в основном состоят из несвязанных волокон. В работе [11] мезопористый (NAM, nanocrystal-assembled mesoporous) MgO был получен с использованием волокон хлопка в качестве темплата, таким же методом был получен LaFeO₃ в работе [12]. Также возможно использование крыльев бабочки [13] для получения пористого ZnO с иерархической структурой (рис. 3).

Список литературы

1. T. Klaus, R. Joerger, E. Olsson and C.-G. Granqvist. 1999. Silver-based crystalline nanoparticles, microbially fabricated. PNAS, November, 23, 1999.
2. Mark Hildebrand. Biological processing of nanostructured silica in diatoms. // Progress in Organic Coatings 47 (2003) 256–266.
3. Marcus Liew Kai Hoa, Meihua Lu, Yong Zhang. Preparation of porous materials with ordered hole structure. // Advances in Colloid and Interface Science 121 (2006) 9–23
4. Clayton Jeffryes, Timothy Gutu, Jun Jiao, Gregory L. Rorrer. Two-stage photobioreactor process for the metabolic insertion of nanostructured germanium into the silica microstructure of the diatom Pinnularia sp. // Materials Science and Engineering C 28 (2008) 107–118.
5. G. Gorman. Microbial Materials. Science news, July, 5, 2003.
6. Atsushi Arakaki, Fukashi Masuda, Yosuke Amemiya, Tsuyoshi Tanaka, Tadashi Matsunaga. Control of the morphology and size of magnetite particles with peptides mimicking the Mms6 protein from magnetotactic bacteria. // Journal of Colloid and Interface Science 343 (2010) 65–70.
7. Christine E. Flynn, Seung-Wuk Lee, Beau R. Peelle, Angela M. Belcher, Acta Materialia 51 (2003) 5867–5880.
8. M. Sarikaya. Biomimetics: Materials fabrication through biology. PNAS, December, 7, 1999.
9. Li Yang, Weisheng Guan, Bo Bai, Qing Xu, Yun Xiang. Synthesis of yeast-assisted Co₃O₄ hollow microspheres—A novel biotemplating technique. // Journal of Alloys and Compounds 504 (2010) L10–L13.
10. H. Sieber. Biomimetic synthesis of ceramics and ceramic composites. // Materials Science and Engineering A 412 (2005) 43–47.
11. Rui-Qin Sun, Lin-Bing Sun, Yuan Chun, Qin-Hua Xu, Hao Wu. Synthesizing nanocrystal-assembled mesoporous magnesium oxide using cotton fibres as exotemplate. // Microporous and Mesoporous Materials 111 (2008) 314–322.
12. Peng Songa, Qi Wang, Zhe Zhang, Zhongxi Yang. Synthesis and gas sensing properties of biomorphic LaFeO₃ hollow fibers templated from cotton. // Sensors and Actuators B 147 (2010) 248–254.
13. Wang Zhang, Di Zhang, Tongxiang Fan, Jian Ding, Qixin Guo, Hiroshi Ogawa. Morphosynthesis of hierarchical ZnO replica using butterfly wing scales as templates. // Microporous and Mesoporous Materials 92 (2006) 227–233.