Живой металл: мост между биологией и электроникой

Электроника эволюционирует от статичных, неживых систем к адаптивным, живым платформам, способным бесшовно взаимодействовать с биологическими средами. Исследователи из Университета Бингемптона разрабатывают композиты из "живого металла", обогащенные бактериальными эндоспорами, открывая путь к динамичной коммуникации и интеграции между электронными и биологическими системами.

В статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, профессор Сокхеун "Шон" Чой, доктор Мэриам Резайе и аспирант Янг "Лекси" Гао представляют свое потенциально революционное исследование жидкометаллических композитов, способных изменить будущее биоэлектроники.

Профессор Чой, сотрудник факультета электротехники и вычислительной техники Колледжа инженерии и прикладных наук Томаса Дж. Уотсона, занимается разработкой инновационных технологий для преодоления разрыва между электронными и биологическими системами. Ранее в большинстве его биоэлектронных проектов использовались проводящие полимерные материалы, поскольку жидкие металлы представляли определенные трудности для интеграции.

Их гидрофобные свойства затрудняют адгезию к электронным субстратам, а воздействие воздуха или воды приводит к образованию оксидного слоя, который ограничивает поток электронов и нарушает связь между электронными и биологическими системами. Однако, как отметил профессор Чой, у полимеров есть свои недостатки. "Меня не удовлетвоворял интерфейс – он не был бесшовным, и хотя полимеры проводящие, их проводимость уступает металлу. Кроме того, большинство биоэлектронных устройств будут эксплуатироваться в очень суровых условиях, что делает их уязвимыми к механическим повреждениям. Им необходимо обладать свойством самовосстановления", – пояснил он.

Он считает, что ключ к решению проблемы кроется в электрогенных бактериях – клетках, генерирующих небольшие объемы энергии. Объединив жидкий металл с покоящимися эндоспорами бактерии Bacillus subtilis, которые профессор Чой ранее использовал для создания биобатарей, удалось получить композитный материал, преодолевающий многие ограничения чистого жидкого металла.

"Когда мы смешиваем споры с каплями жидкого металла, возникает огромная сила притяжения, поскольку на поверхности спор есть химические функциональные группы, взаимодействующие с оксидными слоями жидкого металла. Эта сильная сила разрывает оксидные слои, позволяя металлу проводить ток".

Споры способны оставаться неактивными в суровых условиях и прорастать, когда среда становится более благоприятной. Композит также легко впитывается в подложки устройств, такие как бумага, сохраняя при этом лучшие свойства металла. Более того, его электропроводность даже повышается при прорастании спор.

Самое важное, однако, это то, что композит демонстрирует способности к самовосстановлению, которых так долго ждали исследователи. При нарушении целостности материала композит автономно заполняет разрыв – это важный прорыв для поврежденных цепей, которые сложно заменить.

Прежде чем перейти к коммерческому применению, потребуется провести дополнительные эксперименты для лучшего контроля активации эндоспор и оценки долгосрочной стабильности жидкометаллических композитов в различных средах.

В будущем подобные материалы позволят носимым или имплантируемым устройствам безопасно и напрямую взаимодействовать с тканями человека. "Биологические системы используют молекулы и ионы для метаболизма или сигнализации, тогда как электроника полностью зависит от электронов, что создает ошибки в коммуникации", – отметил профессор Чой. "Электрогенные бактерии используют молекулы и ионы, но также генерируют электроны. Вопрос в том, как мы можем бесшовно интегрировать эти электрогенные бактерии в живой электрод, чтобы соединить эти две системы".