Silīcijs un saule

Savā pludmales birojā, no kura paveras skats uz Santabarbaras kanālu, Daniels Morss rūpīgi atsaiņo vienu no saviem vērtīgajiem paraugiem. Sarežģīts mirdzošu stikla šķiedru režģis, tas izskatās kā abstraktas mākslas darbs vai detalizēts debesskrāpja arhitektūras modelis. Bet patiesībā tas ir skelets vienam no primitīvākajiem daudzšūnu organismiem, kas joprojām pastāv — jūras sūkļu sugai, ko parasti sauc par Veneras ziedu grozu. Morse, Kalifornijas Universitātes Santabarbaras molekulārais biologs, vēlas uzzināt, kā tik vienkārša būtne var salikt tik sarežģītu struktūru. Un tad viņš vēlas likt lietā šīs zināšanas, veidojot savas eksotiskas struktūras.

Danielam Morsam ir jūras sūkļa suga, kas pazīstama kā Venēras ziedu grozs. (Kredīts: Gregs Segals)

Zemais sūklis ir nācis klajā ar ievērojamu risinājumu problēmai, kas gadu desmitiem ir mulsinājusi pasaules labākos ķīmiķus un materiālu zinātniekus: kā panākt, lai vienkārši neorganiski materiāli, piemēram, silīcijs, saliktu sarežģītās nano- un mikrostruktūrās. Pašlaik izgatavot mikromēroga ierīci – teiksim, tranzistoru mikroshēmai – nozīmē to fiziski izgrebt no silīcija plātnes; tas ir dārgs un prasīgs process. Taču dabai ir daudz vienkāršāki veidi, kā izveidot tikpat sarežģītas mikrostruktūras, izmantojot tikai ķīmiju – sajaucot savienojumus tikai pareizā kombinācijā. Sūkļa metode ir īpaši eleganta. Sēžot jūras gultnē tūkstošiem metru zem Klusā okeāna rietumu daļas virsmas, sūklis ekstrahē silīcija skābi no apkārtējā jūras ūdens. Tas pārvērš skābi silīcija dioksīdā — silīcija dioksīdā —, kas, veicot ievērojamu bioloģiskās inženierijas sasniegumu, pēc tam tiek salikts precīzā, trīsdimensiju struktūrā, ko precīzi atveido katrs tās sugas pārstāvis.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2006. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Sūkļu sasniegums tik iespaidīgs, saka Mors, ir tas, ka tam nav vajadzīgas toksiskas ķīmiskas vielas un augsta temperatūra, kas nepieciešama sarežģītas neorganiskas struktūras cilvēka ražošanai. Viņš saka, ka sūklis var montēt sarežģītas struktūras daudz efektīvāk nekā inženieri, kas strādā ar tiem pašiem pusvadītāju materiāliem.

Šī primitīvā būtne un vairāki citi jūras organismi ir kļuvuši par iedvesmu pētniekiem, kuri cer atrast vienkāršākus un lētākus veidus, kā veidot neorganiskas struktūras, piemēram, pusvadītāju ierīces, ko izmantot datoru mikroshēmās, progresīvos materiālos un saules baterijās. Mērķis ir panākt, lai silīcijs un citi neorganiskie elementi paši saliktos darba elektronikā tādā pašā veidā, kā sūklis saliek silīcija dioksīdu sarežģītās formās. (skatiet Citi sadaļā Bio-iedvesmoti materiāli ,) . Energoietilpīgas, miljardu dolāru vērtas pusvadītāju ražošanas iekārtas pēc tam varētu aizstāt ar reaģējošu savienojumu tvertnēm. Bet, lai gan praktiskie rūpnieciskie procesi vēl ir tālu, zinātnieki sāk saprast, kā sūkļi un citas jūras radības veic savus mikroinženierijas brīnumus.

Piemēram, Mors un viņa komanda jau izmanto bioloģiskos trikus, kas apgūti no sūkļa, lai izveidotu jaunas pusvadītāju formas ar intriģējošām elektroniskām īpašībām, tostarp spēju pārvērst gaismu elektrībā, kas varētu būt noderīgas lētāku un efektīvāku saules bateriju izgatavošanā. . Viņa grupa, saka Morse, būvē struktūras, kas nekad agrāk nebija sasniegtas.

Sākt no jauna

Jūras ūdens tvertnēs ārpus Morzes laboratorijas ir daudz krāsainu jūraszvaigznes un koraļmorfāru, eksotisku radījumu, kas līdzīgi jūras anemoniem. Bet Morsu un Džeimsu Vīveru, laboratorijas postdoktoru, vairāk interesē neievērojama izskata rūsas krāsas lāse: oranžs pūtītes sūklis, sūkļa veids, kas parasti dzīvo klinšu plaisās netālu no Santabarbaras krasta. Ja Venēras ziedu grozs ir stikla sūkļu katedrāle, tad šī ir salmu būda. Šķiet, ka bezveidīgajai būtnei vispār nav skeleta; bet, tiklīdz pētnieki izšķīdina dzīvo materiālu no tā ārpuses, paliek nedaudz sīku stikla adatu, katra ir tikai divus milimetrus gara un plānāka par cilvēka matu.

Lai gan Morse galu galā vēlas izprast sarežģītākus sūkļu skeletus, šīs vienkāršās adatas ir laba vieta, kur sākt. Zinātnieki jau sen ir zinājuši, ka stikla adatu pamatā ir proteīnu pavedieni, taču neviens nesaprata, ko viņi darīja vai kā tie ir saistīti ar adatu uzbūvi. Tāpēc Mors un viņa kolēģi sāka, izolējot ģenētisko kodu vienai no olbaltumvielām, ko viņi kā ģimeni sāka saukt par silikateīniem, un rezultātus izmantoja milzīgā zināmo proteīnu datubāzē. Viņi negaidīja maču, bet atrada to uzreiz. Olbaltumviela bija līdzīga proteāzei, cilvēka zarnās atrodamam enzīmam, kas ir iesaistīts pārtikas sadalīšanā un sagremošanā.

Tas bija ļoti savādi, saka Vēvers. Kāpēc proteīnam, kas veicina sūkļa stiklveida skeleta veidošanos, ir kāds sakars ar proteāzi? Pētniekiem sāka rasties aizdomas, ka silikateīni ne tikai kalpoja kā pasīva veidne. Patiešām, viņi atklāja, ka atšķirībā no jebkura cita iepriekš pētīta fermenta silikateīns var veikt dubultu pienākumu. Tas aktīvi ražo būvmateriālus, piemēram, silīcija oksīdu – savā ziņā sagremot savienojumus jūras ūdenī – un pēc tam liek materiāliem saslēgties gar to garumu, veidojot sūkļa skeleta adatas formas stiklu. Morse saka, ka visos biomineralizācijas pētījumos, kas ir notikuši pāris simtu gadu, šāds enzīms nav atklāts.

Morse sprieda, ka, ja silikateīni būtu tik labi, lai ražotu silīcija oksīdu, tie varētu arī ražot tādus metālu oksīdus, kas ir labi pusvadītāji elektronikā un dažu veidu saules baterijās. Viņam bija taisnība. Pie 16 grādiem pēc Celsija, temperatūrā, kurā sūklis dzīvo vēsā ūdenī tieši pie mūsu laboratorijas, Morse saka, ka šis enzīms katalizēs metāla oksīda pusvadītāju kristālisko formu veidošanos un stabilizēs to veidošanos, ko nevar izgatavot tradicionāli. izņemot ļoti augstās temperatūrās.

Rezultātā tika ieteikts lētāks veids, kā izgatavot pusvadītājus zemākās temperatūrās, taču bija iespējama problēma: piesārņojums. Biologs ir sajūsmā, kad viņš iegūst, piemēram, 90 procentu tīrību. Ķīmiķis ir sajūsmā, kad viņa tīrība ir 99%, saka Morlijs Stouns, bioķīmiķis, kurš vada biotehnoloģiju un materiālu izpēti Gaisa spēku pētniecības laboratorijām Raita-Patersona gaisa spēku bāzē netālu no Deitonas, OH. Bet elektronikas inženieris vai kāds cits, kam jāizgatavo ierīces, viņi vēlas redzēt materiālus, kuru tīrības pakāpe ir vismaz pieci deviņi. Viņš piebilst: Bieži vien, izmantojot šīs bioloģiskās pieejas, jūs varat izaudzēt dažas interesantas lietas un iegūt interesantas morfoloģijas, taču tās ne tuvu nav gala stāvokļa tīrības līmenis, kas jums būtu nepieciešams gala ierīcē.

Morss un viņa kolēģi zināja, ka, ja viņi cer izgatavot pusvadītāju materiālus lētām, bet efektīvām saules baterijām, viņiem, iespējams, būs nepieciešama ķīmiskās sintēzes tehnika, kas paņēma no sūkļiem, bet izvairītos no netīrās bioloģijas. Viņi atklāja, ka sūkļa noslēpums ir tāds, ka amīna un hidroksilgrupas fermentā ražo silīcija oksīdu un savāc to vajadzīgajā veidā. Tas nozīmēja, ka visas ķīmiskās vielas, kas būtu nepieciešamas jaunai sintēzes tehnikai, varētu atrast amonjakā un ūdenī. Pētnieki atklāja, ka, sajaucot ūdenī molekulas, kas satur metālu oksīdu prekursorus, un pēc tam pakļaujot maisījumu amonjaka gāzei, viņi var izveidot plānas plēves no ļoti kristāliskiem pusvadītājiem - materiāliem, kas ir noderīgi elektronikai. Šis ir izrāviens, kas mūs ieved praktiskās lietderības jomā, saka Morze.

Turklāt kristāliem ir sarežģīta nanostruktūra, kas varētu uzlabot fotoelektrisko ierīču veiktspēju. Netālu no ūdens virsmas amonjaka gāzes koncentrācija ir salīdzinoši spēcīga, tāpēc šeit sāk veidoties pusvadītāju kristāls. Tomēr, tā kā amonjaks lēnām izkliedējas dziļāk ūdenī, tas liek kristāliem ieaugt maisījumā, veidojot plānu plēvi, kas nav viendabīga, bet gan sastāv no adatu vai plakanu plākšņu tīkla, katra no tām ir tikai dažas miljarddaļas metru bieza. Šis tīkls varētu būt pamats efektīvākai saules baterijai.

Saules sapņi

Kristāliskā silīcija saules baterijas, kas pašlaik dominē fotoelementu tirgū, ir dārgas — tik dārgas, ka to saražotā enerģija maksā vairākas reizes vairāk nekā enerģija, ko rada fosilais kurināmais. Viens no iemesliem ir to izejvielu augstā cena. Silīcijs uz zemes ir ārkārtīgi daudz, taču tas neeksistē kā tīrs elements; tā vietā tas ir saistīts ar skābekli un citiem elementiem, piemēram, smiltīs. Tīra silīcija ražošana prasa daudz enerģijas.

Lai samazinātu saules bateriju izmaksas, pētnieki ir meklējuši veidus, kā samazināt izmantotā silīcija daudzumu. Daži ir pievērsušies lētākām plānām plēvēm, kas izgatavotas no kadmija telurīda vai vara indija diselenīda. Šo jauno pusvadītāju īpaši plānie slāņi var absorbēt tādu pašu gaismas daudzumu kā biezākas kristāliskā silīcija plātnes. Morzes izgatavošanas tehnika varētu būt lēts veids, kā izgatavot šādas plānas plēves; turklāt nanostruktūra, ko rada viņa metode, ir īpaši piemērota gaismas absorbēšanai un tās pārvēršanai jaudā.

Saules bateriju projektēšanas izaicinājums ir nodrošināt, lai elektroni izkustētos, kad gaisma nonāk pusvadītājā, rada strāvu. Kad fotons ietriecas saules baterijas materiālā, rodas gan brīvais elektrons, gan tā pozitīvais līdzinieks, ko sauc par caurumu. Ja tos var ātri atdalīt līdz pretējiem elektrodiem, rodas elektriskā strāva. Tomēr grūtības tos atdalīt, pirms tie rekombinējas un izkliedē enerģiju kā siltumu, ir viens no galvenajiem šķēršļiem augstākas efektivitātes saules baterijām, saka Aravinda Kini, ASV Enerģētikas departamenta biomolekulāro materiālu izpētes programmas vadītāja.

Morzes struktūras varētu pārvarēt šo šķērsli. Kristālisko projekciju tīklu var iegremdēt caurspīdīgā cietā vai šķidrā elektrodā. Gaisma izietu caur elektrodu, kur to absorbētu kristāls. Tā kā strukturētās plānās kārtiņas virsmas laukums ir liels (vienā materiālā 90 līdz 100 reizes lielāks nekā tradicionālajai plānajai kārtiņai), daudzi no gaismas radītajiem elektronu caurumu pāriem atrastos elektrodu saskarnes tuvumā; kā rezultātā tie varēja ātri atdalīties, vienam lādiņa nesējam pārvietojoties caurspīdīgajā elektrodā, bet otram nesējam cauri kristālam, lai izietu pie pretējā elektroda.

Jau tagad Morse un kolēģi ir izgatavojuši vairāk nekā 30 veidu pusvadītāju plānās plēves un pārbaudījuši to fotoelektriskās īpašības. Viņi tagad strādā, lai iekļautu pusvadītājus funkcionālās saules baterijās. Tajā pašā laikā Morse turpina izstrādāt jaunas bioloģiski iedvesmotas metodes materiālu montāžai, ņemot vērā papildu lietojumus, tostarp pusvadītāju ierīces drošākām, lielāka jaudas blīvuma baterijām un mazākām atmiņas mikroshēmām; viņš arī interesējas par laminētu šķiedru radīšanu īpaši stipriem būvmateriāliem.

Bet, lai arī viņš ir sajūsmā par sava darba potenciālajiem pielietojumiem, Morss joprojām ir molekulārais biologs. Pat runājot par to, kā viņa pētījumi varētu novest pie labākām saules baterijām, viņš skatās pa logu uz delfīniem, kas rotaļājas ostā. Un viņš joprojām ir veltīts tam, lai izprastu sūkļa sarežģītības mehānismu. Vēlreiz viņš apskata izsmalcināto Veneras ziedu groza skeletu, lai gan, bez šaubām, viņš to ir redzējis tūkstošiem reižu. Viņš iesaucas, to no stikla izgatavojusi dzīva būtne. Tas ir neticami!

Kevins Bulliss ir Tehnoloģiju apskats nanotehnoloģiju un materiālu zinātnes redaktors.

Citi bioloģiski iedvesmotos materiālos

Pētnieks

Mērķis

stratēģija

Džoanna Aizenberga,

Lucent Technologies, Murray Hill, Ņūdžersija

Spēcīgi, pašatjaunojoši būvmateriāli un izturīgākas optiskās šķiedras

Izpratne par to, kā sūkļi saliek neorganiskus materiālus

Ilhans Aksejs,

Prinstona
Universitāte

Pašdziedinoši materiāli un labāki biosensori

Jūras gliemežvāku un citu bioloģisko sistēmu izpēte

Andžela Belčere,

AR

Labākas baterijas un uzlaboti materiāli elektronikai, enerģijai un medicīnai

Inženierzinātnes
vīrusi materiālu montāžai

Semjuels I. Stups,

Ziemeļrietumi
Universitāte

Labāki sensori un saules baterijas

Peptīdu lietošana
virzīt neorganisko struktūru veidošanos

paslēpties