Бактерии создали микроскопические «электропровода» с проводимостью до 15 000 См/см
15 сентября 2026, 10:35Наука и космосDarth Sahara0
Ученым известно уже более десятилетия о существовании многоклеточных бактерий, обитающих в речном и морском иле, которые могут проводить электрический ток на расстояния в несколько сантиметров — что в тысячи раз превышает длину их клеток. Однако механизм этого процесса оставался тайной, поскольку биологические системы не предназначены для столь длительного переноса электронов. В новом исследовании команда из Антверпенского университета провела атомарное исследование и обнаружила в этих бактериях не белки, не привычные железосерные кластеры или упорядоченные никелево-органические каркасные материалы. Оказалось, что они вырабатывают внутри себя настоящий металл-органический каркас, который химики обычно синтезируют в лабораториях для применения в электронике, а считалось, что живые организмы не способны к этому вовсе.
Кабельные бактерии — это нитевидные многоклеточные организмы, достигающие длины нескольких сантиметров, которые обитают в осадке на границе кислородной и аноксичной зон. Клетки, находящиеся на глубине, захватывают электроны из сероводорода, в то время как клетки, расположенные на поверхности, отдают их кислороду. Электрический ток проходит по волокнам, соединяющим всю цепочку клеток, разделяя две части метаболизма в пространстве — решение, не встречающееся больше нигде в живом мире. Ранее та же группа исследователей показала, что проводимость этих волокон достигает 500 См/см (сименс на сантиметр), что невозможно для биологических структур, и что перенос электронов происходит через никелевые центры, а не через привычные для биологии железосерные кластеры.
Чтобы разобраться в этом процессе, авторы использовали широкий спектр методов — от электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии до компьютерного моделирования. Выяснилось, что каждое проводящее волокно содержит в центральной части примерно 11 нанолент толщиной около 1,4 нанометра, закрученных наподобие многожильного медного провода.
«Это ощущение было очень знакомым: плетёный провод из тонких жил в защитной оболочке. Удивительно было не то, насколько это выглядит необычно, а насколько это привычно. Эволюция разработала эту конструкцию за 600 миллионов лет до появления электриков», — отметил руководитель исследования Филип Мейсман.
Сердцевина проводимости — комплекс, названный авторами NiBiD (Nickel Bis-Dithiolene): атом никеля, который удерживается четырьмя атомами серы в органической молекуле. Эти плоские единицы упакованы в стопки, создавая перекрытие электронных облаков, что характерно не для биологии, а для проводящих полимеров. Электрический ток распространяется не скачками между изолированными металлическими центрами, а протекает по делокализованной сети — как в синтетическом органическом проводнике. Формально биологи впервые наблюдали металл-органический каркас (MOF), созданный живым организмом.
Если пересчитать проводимость не по всему сечению волокна, а только по самим нанолентам, то она колеблется от 150 до 15 000 См/см. В настоящее время группа работает над подключением отдельных нанолент к микроэлектродам для проведения прямых измерений, — но даже нижний предел сопоставим с характеристиками промышленных проводящих чернил. Если верхняя граница будет подтверждена, это станет одним из самых высоких значений для металл-органических структур и абсолютным рекордом для известных биоматериалов.
Это не только ориентир для инженерных новых материалов, но и принципиальный сдвиг в понимании эволюционных возможностей.
Для прикладной электроники важен не только уровень проводимости, но и технология производства. Бактерии создают упорядоченные наноленты самосборкой в водной среде при комнатной температуре — что является полной противоположностью энергоемким процессам, необходимым для синтеза полимерных проводников. Мейсман указывает на гибкую печатную электронику как на самое очевидное применение, но подчеркивает: сначала необходимо продемонстрировать, что этот биоматериал можно производить недорого и что его свойства не уступают современным чернилам.
Основное препятствие на пути к технологии — это стоимость масштабирования. «Задача состоит в том, чтобы показать, что биоматериал можно производить экономически целесообразным способом и что его характеристики не хуже, чем у существующих электронных чернил», — говорит Мейсман. Он называет гибкую печатную электронику наиболее реалистичным применением, где проводящие чернила наносятся на подложки для создания схем и сенсоров.
Источники:Nature CommunicationsНаука и космос0БиотехнологииНаноматериалыэлектропроводность10:35
Источник
