Bakterie w służbie wytwarzania materiałów
Od czasu ich odkrycia w zeszłym roku przez trzech chemików, którzy otrzymali za to Nagrodę Nobla, struktury metaloorganiczne cieszą się nieustającą popularnością w materiałoznawstwie. Mowa o grupie materiałów charakteryzujących się wysokim stopniem uporządkowania, których struktura przypomina nieco klocki Lego. Dzięki jonom metali pełniącym rolę połączeń oraz cząsteczkom organicznym działającym jak łączniki, materiały te mogą tworzyć strukturę powtarzającą się w nieskończoność. „Struktury metaloorganiczne umożliwiają projektowanie nowatorskich i dostosowanych do potrzeb materiałów zdolnych do wychwytywania dwutlenku węgla, katalizowania reakcji chemicznych i przewodzenia prądu elektrycznego”, wyjaśnia Filip Meysman, profesor i biolog z Uniwersytetu w Antwerpii(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Choć z pewnością stanowią źródło nowych i ekscytujących możliwości, okazuje się, że jesteśmy nieco spóźnieni. Bakterie wytwarzają te struktury już od przeszło 600 milionów lat. „Jakimś sposobem w drodze ewolucji powstało dokładnie to samo rozwiązanie, za które chemicy otrzymali Nagrodę Nobla”, dodaje Meysman. W ramach projektu PRINGLE(odnośnik otworzy się w nowym oknie), finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Innowacji(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Meysman kieruje pracami zespołu, którego celem jest lepsze zrozumienie bakterii wytwarzających struktury metaloorganiczne.
To kabel! To przewód elektryczny! To bakterie!
Wyjątkowe mikroorganizmy, które żyją w mulistych osadach występujących w rzekach, jeziorach i oceanach i wytwarzają struktury metaloorganiczne, charakteryzuje wyjątkowa zdolność do generowania i przewodzenia prądu elektrycznego. „Blisko 15 lat temu naukowcy zauważyli, że przez dno morskie przepływają prądy elektryczne”, wyjaśnia Meysman. „Okazało się, że prądy te były przewodzone przez bakterie o długości kilku centymetrów”. Zdaniem Meysmana bakterie kablowe działają jak żywe przewody, przenosząc elektrony na odległości rzędu kilku centymetrów. „Bakterie kablowe wytwarzają w zasadzie sieć linii energetycznych w osnowie komórkowej, która zawiera cienkie włókna przewodzące prąd biegnące równolegle wzdłuż zewnętrznej strony włókien o długości centymetra”. Chociaż naukowcy wiedzą, że ta wyjątkowa zdolność pomaga bakteriom przetrwać w ubogich w tlen osadach dennych, mechanizm przewodzenia przez nie prądu elektrycznego pozostaje tajemnicą.
Od bakterii do struktur metaloorganicznych
W celu znalezienia odpowiedzi na to pytanie zespół projektu PRINGLE wykorzystał szereg technik mikroskopowych i spektroskopowych. Jednym z pierwszych odkryć badaczy było wykazanie, że włókna przewodzące występujące w bakteriach przypominały budową kable zasilające służące do ładowania smartfonów – były jedynie 20 000 razy mniejsze. „Podobnie jak w przypadku plecionych drutów miedzianych w przewodzie zasilającym, w środku każdego włókna znajduje się wiązka splecionych nanowstążek otoczona ochronną warstwą białkową”, zauważa Meysman. Jak wyjaśnia badacz, struktura nanowstążek stanowi zupełnie nowe odkrycie, a same nanowstążki działają niczym zminiaturyzowana, ale charakteryzująca się wysoką przepustowością autostrada umożliwiająca transport elektronów. „Jeszcze większym zaskoczeniem było odkrycie, że same nanowstążki są zbudowane ze struktur metaloorganicznych”, dodaje badacz. „Do tej pory nie wiedzieliśmy, że w świecie biologii jakikolwiek organizm wytwarza takie materiały”.
Bakterie kablowe doskonałymi chemikami
Badania przeprowadzone w ramach projektu doprowadziły do wykazania, że bakterie kablowe są doskonałymi chemikami. „Struktury metaloorganiczne w postaci nanowstążek wytwarzanych przez baterie kablowe należą do struktur charakteryzujących się najlepszą przewodnością, jakie kiedykolwiek powstały”, zauważa Meysman. Odkrycie to nie tylko kładzie podwaliny pod syntezę struktur metaloorganicznych opartą na procesach biologicznych, ale także sugeruje możliwość opracowania nowatorskiej strategii projektowania zrównoważonych materiałów elektronicznych. Zespół skupiony wokół projektu PRINGLE bada obecnie, czy chemicy będą w stanie projektować struktury metaloorganiczne inspirowane naturą oraz w jaki sposób można wykorzystać je w nowych technologiach, w tym w urządzeniach elektronicznych bądź akumulatorach. „Kto wie, może pewnego dnia takie materiały trafią do naszych smartfonów”, podsumowuje Meysman. Wyniki badań przeprowadzonych w ramach projektu zostały opublikowane na łamach czasopisma naukowego „Nature Communications”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
