Поскольку электронные устройства все чаще затрагивают все аспекты жизни людей, растет интерес к технологиям, которые меньше, быстрее, мобильнее и мощнее, чем когда-либо прежде. Благодаря достижениям в области нанотехнологий (манипулирование материей в атомарном или молекулярном масштабе) промышленность может производить материалы толщиной всего в миллиардные доли метра.
Исследователи, спонсируемые ONR, во главе с микробиологом доктором. Дерек Ловли из Массачусетского университета в Амхерсте – говорят, что их инженерные провода можно производить с использованием возобновляемых «зеленых» источников энергии, таких как солнечная энергия, углекислый газ или растительные отходы; изготовлены из нетоксичных натуральных белков; и избегать агрессивных химических процессов, которые обычно используются для создания наноэлектронных материалов.
"Исследования, подобные доктору. Lovley’s может привести к разработке новых электронных материалов для удовлетворения растущего спроса на более компактные и более мощные вычислительные устройства », – сказал д-р.
Линда Криси, программный офицер отдела боевых характеристик ONR, спонсирующего исследование. «Возможность производить очень тонкие провода из экологически чистых материалов имеет огромный потенциал применения в качестве компонентов электронных устройств, таких как датчики, транзисторы и конденсаторы."
Центральным элементом работы Ловли является Geobacter, бактерия, которая производит микробные нанопровода – похожие на волосы белковые нити, выступающие из организма, что позволяет им устанавливать электрические связи с оксидами железа, которые поддерживают его рост в земле. Хотя Geobacter, естественно, несет достаточно электричества для собственного выживания, ток слишком слаб для использования человеком, но его достаточно, чтобы его можно было измерить с помощью электродов.
Команда Ловли изменила генетический состав бактерий, заменив две аминокислоты, естественно присутствующие в проводах, на триптофан, который обвиняют (ошибочно, как некоторые говорят) в сонливости, возникающей из-за слишком большого количества индейки на День Благодарения.
Помимо обвинений в еде, триптофан на самом деле очень хорошо переносит электроны в наномасштабе.
«Когда мы узнали больше о том, как работают микробные нанопроволоки, мы поняли, что можно улучшить дизайн природы», – сказал Ловли. «Мы перестроили аминокислоты, чтобы получить синтетическую нанопроволоку, которая, как мы думали, может быть более проводящей. Мы надеялись, что Geobacter все еще может образовывать нанопроволоки и удваивать их проводимость."
Результаты превзошли ожидания команды, поскольку синтетические нанопроволоки, наполненные триптофаном, были в 2000 раз более проводящими, чем их натуральные аналоги. И они были более прочными и намного меньшего размера, диаметром 1.5 нанометров (более чем в 60 000 раз тоньше человеческого волоса) – это означает, что тысячи нанопроводов могут храниться в мельчайших местах.
Ловли и Криси говорят, что эти сверхминиатюрные нанопроволоки имеют множество потенциальных применений, поскольку электронные и вычислительные устройства продолжают уменьшаться в размерах.
Например, они могут быть установлены в медицинских датчиках, где их чувствительность к изменениям pH может контролировать частоту сердечных сокращений или функцию почек.
С военной точки зрения, нанопровода могут питать электрические токи специально созданных микробов для создания бутанола, альтернативного топлива. Это было бы особенно полезно в удаленных местах, таких как Афганистан, где автоколонны с топливом часто подвергаются нападениям, и доставка топлива для боевиков стоит сотни долларов за галлон.
Нанопроволоки Ловли также могут играть решающую роль в питании высокочувствительных микробов (которые могут быть размещены на кремниевом чипе и прикреплены к беспилотным автомобилям), которые могут определять присутствие загрязняющих веществ, токсичных химикатов или взрывчатых веществ.
«Это захватывающее время, чтобы быть в авангарде создания новых типов материалов для электроники», – сказал Ловли. "Тот факт, что мы можем сделать это с помощью экологически чистых возобновляемых материалов, делает это еще более выгодным."
Исследование Ловли является частью усилий ONR в области синтетической биологии, которая создает или модернизирует микробы или другие организмы для выполнения конкретных задач, таких как улучшение здоровья и физической работоспособности.
Эта область является одним из главных приоритетов исследований ONR из-за ее потенциального далеко идущего воздействия на характеристики истребителей и возможности флота.