Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Стенки клеток диатомовых водорослей: (A) C. fusiformis; (B) Thalassiosira oestrupii; (C) Porodiscus hirsutus; (D) Kittonia elaborata.
Рис. 2. Использование биоорганических материалов для получения керамики.
Рис. 3. Использование крыльев бабочки для получения наноструктур из ZnO.

Мать - природа в помощь

Ключевые слова:  биомиметика, материаловедение

Автор(ы): Беззубов С.И., Воробьева Н.А. , Ефимов А.А.

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

17 октября 2010

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.



Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Вперёд от реферата к реальности. А как это сделать хотя бы в лаборатории? И когда это можно ожидать, например, в практической медицине?
Пастух Евфграфович, 09 декабря 2010 09:16 
Москаев Артём Сергеевич, 08 февраля 2016 11:19 
Интересно
Москаев Артём Сергеевич, 08 февраля 2016 11:19 
Интересно

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Квантовая точка Ge
Квантовая точка Ge

Интервью с участниками, авторами задач и организаторами XIII Олимпиады
Предлагаем ознакомиться с подборкой видеороликов - миниинтервью, взятых в течение очного тура XIII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" (25 - 30 марта 2019 года).

Неделя Олега Лосева
Портал RSCI.RU и инициаторы проведения "Недель Олега Лосева" приглашают все вузы и факультеты физико-технологического и радиоэлектронного профиля к участию в первой Неделе Олега Лосева в Рунете, посвященной Олегу Владимировичу Лосеву - признанному пионеру полупроводниковой электроники и оптоэлектроники.

Магистратура Московского университета по химической технологии
Химический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова объявляет о приеме в магистратуру "Химическая технология" для подготовки специалистов в области полимерных композиционных материалов, углеродных материалов, защитных покрытий.

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
Семенова Анна Александровна
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.