«Междисциплинарные исследования силифицирующих организмов — путь к новым наноматериалам»

(Из выступления академика М.А. Грачева)

Михаил Александрович Грачев, академик РАН

Свое выступление директор Лимнологического института СО РАН начал со сравнения. Он обратился к слайду, на котором показана молекула белка аквапорина (ее размеры около семи нанометров), а также молекула ДНК поперечным размером около двух нанометров. Это — наноструктуры, о которых на Общем собрании рассказывал академик В. В. Власов. Они являются традиционным объектом молекулярной биологии.

Я буду говорить о наноструктурах другого размера, на порядок большего, от 50 до 500 нанометров. Огромное количество таких кремнистых наноструктур создают диатомовые водоросли и некоторые другие окремняющие организмы. Диатомовых водорослей насчитывается около 100 тыс. видов, и каждый из них имеет совершенно определенный трехмерный узор из кремнезема, который и создает их экзоскелет.

Выступающий продемонстрировал некоторые примеры обустройства этого скелета, обратил особое внимание на слайд, на котором как будто два человека соединили руки в рукопожатии. Но это чистый кварц. Как именно происходит превращение записанной в геноме информации в трехмерную структуру, неизвестно. Это одна из очень больших загадок биологии.

В кубик с ребром 50 нанометров войдет 3 млн молекул воды, в кубик с ребром 100 нанометров — 30 млн молекул воды. Таким образом, диатомеи, создавая свои экзоскелеты, размещают по определенному плану многие миллионы молекул кремнезема. Делают они это легко и быстро. М. А. Грачев показал на отрезке микрофильма, как живая диатомовая водоросль за несколько минут образует совершенный кварцевый цилиндр диаметром один микрометр и длиной 20 микрометров. А другая водоросль, ее размер порядка 40 микрометров, «вставляет» кварцевые ободки в структуры своего скелета. Это происходит при комнатной температуре. Механизм биосинтеза кремнистых наноструктур до сих пор не расшифрован.

Надо сказать, подчеркнул М. А. Грачев, — что диатомовые водоросли и другие окремняющие организмы очень легко решают проблемы тиражирования. Насколько я понимаю, в электронике очень важно размножить то устройство, которое разработано. Диатомовые водоросли создают настоящие залежи диатомитов, состоящие из совершенно одинаковых устройств. Их можно извлекать из водных экосистем, например, из озера Байкал. И наконец, диатомовые водоросли можно выращивать в лаборатории, в фотобиореакторах. Интересно, что в одном миллилитре содержимого такого фотобиореактора может находиться до 1 миллиона совершенно одинаковых кремнистых диатомей.

Реплики диатомей из титанатов бария и стронция

Сейчас в мире происходит довольно бурное развитие данного направления, хотя первые работы имеют довольно наивный характер. Тем не менее, совершенно очевидно стремление использовать диатомовые водоросли и другие окремняющие микроорганизмы для создания разнообразных наноматериалов. Из кремнистых диатомовых створок получают реплики из золота, реплики из углерода. Есть очень интересный выход на хроматографические сорбенты, новые катализаторы, новые устройства для снятия Раман-спектров. Существующие реплики диатомовых водорослей из двуокиси титана дают выход на новые катализаторы, которые ускоряют распад ряда ядовитых веществ.

Совсем недавно появились работы, в которых кремнезем створок превращают в кремний. Это делают путем обработки объекта парами магния и выщелачивания. В результате получается створка, которая сохраняет геометрию исходной, но уже построена из чистого кремния, а не из кремнезема. Причем этот кремний имеет нанокристаллический характер, хотя исходный кремнистый материал был совершенно аморфен. Полученный материал состоит из нанокристаллов кремния размером от двух до пяти нанометров, которые могут быть использованы в качестве сенсоров газов.

Негативные и позитивные реплики диатомей удается получать с помощью специальных полимеров. Они обладают довольно интересными свойствами. Здесь в наноструктурах присутствует своя иерархия: большие поры диаметром порядка одного микрометра, внутри которых содержится множество пор гораздо более мелких, диаметром порядка 100 нанометров. Оказывается, такие реплики могут использоваться в качестве фотонных кристаллов.

Недавно получен очень интересный материал на основе присоединения к диатомовой водоросли двуокиси олова. На экзоскелет с помощью специальной сложной технологии с использованием органических веществ нанесена пленка двуокиси олова, построенная из нанокристаллов. Ее толщина составляет тридцать нанометров. И к такой водоросли, которую модифицировали двуокисью олова, припаяли два платиновых электрода. В результате был получен сенсор, который чувствует концентрацию окиси азота. Из отдельных створок этих диатомовых водорослей умельцы делают оригинальные приборы. Совершенно очевидно, что таким способом можно детектировать не только газы, но и использовать данный принцип для исследования взаимодействия, например, определенных биомолекул.

Затем М. А. Грачев продемонстрировал ряд конкретных результатов, полученных в Лимнологическом институте. Из специально выращенной диатомеи путем соответствующей обработки получены кварцевые корытца. С помощью паров магния и паров алюминия создают кремнистые створки из нанокристаллического кремния, дающие яркую флюоресценцию. Можно ожидать серьезного практического применения данных материалов.

Докладчик подчеркнул, что интерес к наноструктурам диатомей растет во всем мире, количество статей увеличивается и сейчас достигает уже сотни в год. То есть около ста человек в мире работают над обозначенными проблемами. В ЛИНе этим направлением, включая диатомовые, губки и химические исследования, занимаются порядка 40 человек.

И мы бы очень хотели, — заключил академик М. А. Грачев, — чтобы в рамках той программы по нанотехнологиям, которая формируется в Сибирском отделении, прозвучала тема «Междисциплинарные исследования силифицирующих организмов — путь к новым наноматериалам».

http://pine.ict.nsc.ru/…/n50/f8.html

Лимнологический институт СО РАН

http://www.lin.irk.ru/about.htm

Копирование «чудес» природы всегда было одним из главных стимулов для развития науки. И вот, в результате долгого наблюдения и ряда проведённых практических опытов, исследований люди «подсмотрели» у природы ещё один секрет. Было бы здорово, если бы эти знания не пропали втуне. Продолжение этих работ (а для этого нужно открыть соответствующую тему и начать финансирование) может дать самые неожиданные выходы на практику и даст новый импульс развитию отечественной НТ…