http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=74d789da-7613-4881-b383-645ad1fcce43&print=1© 2024 Российская академия наук
Учёные из Института белка РАН в Пущино и Института физической химии и электрохимии РАН в Москве создали литий-ионные аккумуляторы с электродами, материалом для которых послужили жгутики одной из галофильных (живущих в пересолённых водах) архей. В основе разработки – недавние микробиологические открытия в производстве наноструктурированных электродных материалов.
Группа микроорганизмов – архебактерии, или археи, – была открыта ещё в 70-е годы XX века: тогда американский микробиолог Карл Везе на основании молекулярных данных пришёл к выводу, что архей нельзя отнести ни к прокариотам, ни к эукариотам. Это третья эволюционная ветвь, самостоятельная и очень древняя. Долгое время это открытие оставалось «чисто академическим» – обогащающим наши знания о природе, но никак не связанным с практикой. Археи довольно малочисленны, не вызывают болезней человека, но и не производят полезных для нас продуктов. Однако развитие науки непредсказуемо. Область, где знания об археях пригодились, всё-таки нашлась, – речь об электронной техники.
Сегодня в большинстве мобильных электронных устройств (например, в ноутбуке, сотовом телефоне или цифровом фотоаппарате) стоят литий-ионные аккумуляторы, ёмкость и долговечность которых всё ещё не отвечают быстрорастущим потребностям современного человека. Инженеры постоянно работают над совершенствованием таких аккумуляторов. Особенно широкий размах приобрели эти работы с началом так называемого нанотехнологического бума. В 2006 году биотехнологи из Массачусетского технологического института нашли способ использовать в производстве аккумуляторов генмодифицированные вирусные частицы. На эти частицы хорошо осаждался оксид кобальта, образуя таким образом нанопроволоку, служащую основой электрода. Такой состав электрода повышает ёмкость литий-ионного аккумулятора более чем в два раза по сравнению с графитовыми электродами, которые, как правило, используются в настоящее время. Однако первые аккумуляторы с кобальтовыми электродами, сделанные ещё без применения нанотехнологии, оказались недолговечны. Применение в качестве основы электродов нанопроволок из вирусных частиц позволило сильно замедлить их деградацию. В других работах подобные нанопроволоки были сделаны из бактериальных жгутиков.
Исследователи Института белка РАН в Пущино и Института физической химии и электрохимии РАН в Москве доказали, что жгутики архей подходят для этой задачи гораздо лучше, чем жгутики обычных бактерий. Дело в том, что многие из архей в природе являются экстремофилами – населяют фактически непригодные для жизни места обитания. Обычно это воды или с очень большой концентрацией растворённых солей, или с огромной кислотностью, или с очень высокой (более 80 градусов Цельсия) температурой. Внутри аккумуляторов, где физические условия далеки от привычных для живых организмов и близки к экстремальным, именно архейные белки могут уцелеть и послужить надёжными элементами конструкции.
Российские учёные генетически модифицировали жгутики таким образом, что в них появилось по четыре дополнительных остатка аспарагиновой кислоты. Эти остатки в белках имеют отрицательный электрический заряд, поэтому к ним хорошо присоединяются положительно заряженные ионы кобальта, что необходимо для правильного протекания в аккумуляторе электрохимических процессов. Полученные таким образом аккумуляторы оказались более ёмкими и долговечными, так что можно надеяться на дальнейшее развитие этого направления техники.