Представьте себе мир, в котором электронные устройства питаются от живых организмов и разлагаются после использования, устраняя проблему электронного мусора.
Это не сюжет футуристического научно-фантастического фильма - это реальная, развивающаяся область исследований, известная как биоэлектроника. Микробы, естественно, являются звездами этого шоу. Деятельность микробов формирует химию Земли и активно управляет биогеохимическими циклами. Но с тех пор как ученые наткнулись на так называемые электроактивные микробы, их потенциал для революции в электронике, создания более устойчивых и экологичных технологий, становится все более изученным.
Как следует из названия, электроактивные микробы могут вырабатывать электричество. На протяжении более десяти лет такие микробы, как Shewanella и Geobacter, доминируют в исследованиях электроактивности микроорганизмов. Эти бактерии живут в среде, где кислород ограничен или отсутствует, и используют замечательную энергетическую стратегию: они переносят электроны из своих клеток на проводящие терминальные акцепторы электронов (например, минералы). По сути, они могут «дышать» металлами вместо кислорода и при этом вырабатывать электричество.
Ученые использовали электроактивность для создания биоэлектрохимических систем, в которых электроды заменяют минералы, которые микробы естественным образом используют в качестве терминальных акцепторов электронов. Таким образом, эти системы используют микробы в качестве катализаторов для выработки электричества. Биоэлектрохимические системы прошли долгий путь с момента своего создания и нашли множество применений, таких как очистка сточных вод, извлечение тяжелых металлов, биосенсинг для обнаружения загрязняющих веществ в воде и почве и улавливание углерода. Однако у этих бактерий (и биоэлектрохимических систем) есть ограничения. Перенос электронов происходит только на небольшие расстояния - микрометры, поэтому их применение, хотя и многообещающее, остается ограниченным. Однако в последние годы были открыты новые микроорганизмы, которые выводят перенос электронов на совершенно новый уровень.
Открытие кабельных бактерий в 2012 году стало революционным событием в биологии и раскрыло новые возможности в биоэлектронике. Кабельные бактерии соединяют окисление сульфидов и восстановление кислорода посредством переноса электронов на сантиметровые расстояния. Представьте себе длинную нитевидную бактерию, через тело которой проходит «провод», позволяющий электронам перетекать с одного конца всей структуры на другой, подобно электрическому кабелю. Именно так поступают кабельные бактерии в своей естественной среде обитания, обычно в морских и пресноводных отложениях. Их способность проводить электроны на такие большие расстояния поражает воображение с точки зрения биоэлектроники. Ученые все еще разгадывают структуру проводящих периплазматических "проводов", но их замечательные качества уже поражают воображение ученых и изобретателей.
Электронная микрофотография нанопроволоки из Geobacter sulfurreducens. Источник: Flickr/NIH Image Gallery
Как же эти бактерии попадают со дна океана в высокотехнологичную электронику? Хотя идея живой и дышащей электроники может показаться научной фантастикой, исследования в этой области развиваются. Одно из самых интересных применений электроактивных бактерий, таких как Geobacter и кабельные бактерии, - разработка биологической электроники. Проводящие нанопроволоки из Geobacter можно производить в массовом масштабе, извлекать и интегрировать в электронные схемы. Эти нанопроволоки были использованы в тонкопленочных схемах для получения электричества из атмосферной влаги. Преимущество таких материалов заключается в том, что они могут проводить электричество, оставаясь при этом биоразлагаемыми и нетоксичными, что открывает возможности для создания биоразлагаемой электроники, которая будет разрушаться естественным образом в конце своего жизненного цикла.
Ученые также исследуют возможность использования бактерий, покрытых минералами, в электронных компонентах. Некоторые электроактивные микробы, в том числе Geobacter и кабельные бактерии, создают проводящие минеральные слои - например, оксиды железа и марганца - на своих нитях. Эти инкрустации могут еще больше повысить способность к хранению и передаче электрической энергии. Отсюда возникает идея микробных «батарей» или биологических конденсаторов - живых устройств, способных накапливать и отдавать энергию, подобно аккумуляторам в вашем телефоне или ноутбуке.
Представьте себе, что датчики, используемые для исследования удаленных сред - например, глубоководных исследований или даже космического пространства, - питаются от бактерий, которые сами вырабатывают электричество. На самом деле микробные топливные элементы уже использовались для получения энергии из микробов и питания метеорологических буев. Недавние исследования показывают, что некоторые минералы, производимые этими микробами, даже фотоактивны, что означает, что они могут быть использованы в устройствах, работающих на солнечных батареях, что может найти применение в микробной генерации солнечной энергии.
Биоэлектронику отличает от традиционных электронных технологий не только наука, но и фактор экологичности. В современном производстве электроники одной из самых больших проблем является растущее количество образующихся электронных отходов. Спрос на новые электронные устройства, такие как смартфоны и компьютеры, привел к увеличению количества электронных отходов, которые являются токсичными для окружающей среды. В настоящее время во всем мире перерабатывается менее 20% электронного мусора, а остальной часто выбрасывается на свалки, где выделяет в окружающую среду вредные вещества, такие как тяжелые металлы (мышьяк, хром, кадмий и ртуть) и органические соединения (полихлорированные бифенилы).
Но что, если бы устройства, которые мы используем каждый день, можно было бы делать из материалов, которые естественным образом разлагаются со временем? Используя возможности микробов по переносу электронов, исследователи находятся на пути к созданию биоразлагаемых схем и самоподдерживающихся электронных систем. Это означает, что устройства могут работать в автономном режиме, питаясь от микробного метаболизма, а когда необходимость в них отпадет, они смогут распадаться на безвредные компоненты.
Биоэлектроника, питаемая микробами, также может уменьшить зависимость от редких и токсичных материалов, используемых в электронной промышленности, предлагая экологичную альтернативу для энергоснабжения будущего. Однако для достижения этой цели еще предстоит проделать большую работу, прежде чем она станет практичной. Хотя кабельные бактерии, похоже, демонстрируют полупроводниковые свойства в своей электрической сети, природа их проводящей структуры до сих пор не известна. Кроме того, кабельные бактерии пока сложно культивировать в лаборатории, и наше понимание того, как полностью использовать их возможности переноса электронов, все еще находится на ранней стадии.
Что касается электроники, то основная проблема заключается в обеспечении долгосрочной стабильности работы этих устройств, что является непростой задачей. Масштабирование этих технологий также не является простым делом. Однако потенциал создания экологичной электроники очень интересен, и междисциплинарные команды биологов, химиков, физиков и инженеров работают вместе, чтобы воплотить это видение в реальность. По мере развития исследований мы сможем увидеть проводящие микробные структуры, интегрированные в более сложные устройства. Заглядывая в будущее, мы видим, что интеграция биологии и электроники открывает путь к более экологически устойчивому миру, где живые организмы будут питать устройства будущего. Пока эти крошечные микробы продолжают удивлять нас, они вполне могут стать ключом к решению некоторых из самых больших проблем, стоящих перед современными технологиями.
