Биологические подходы к получению наноразмерных материалов

Как оказалось, наноматериалы могут производиться и в биологических системах. Во многих живых организмах, например, в некоторых бактериях, простейших и даже у млекопитающих производятся минеральные вещества в виде частиц или каких-либо структур в нанометровом диапазоне размеров.

Как показали исследования, биологические наноматериалы отличаются от полученных другими методами. Обусловлено это тем, что их свойства вырабатывались эволюционным путем в течение длительного времени. В результате,в процессе жизнедеятельности включаются механизмы тонкого биологического контроля, что приводит к выработке наноматериалов с четко определенными характеристиками.

Наноматериалы, полученные биологическими методами,могут применяться в нескольких направлениях. Прежде всего в качестве исходных веществ для некоторых традиционных методов синтеза и обработки наноматериалов, а также вряде технологических процессов. Также они могут быть своего рода образцом, эталоном для производства наноразмерных сред другими методами. Такой подход лежит в основе концепции, которую определяют как биомимикрию или биомоделирование. Наконец, биоматериалы могут рассматриваться как научные модели, которые эффективны в понимании поведения наноматериалов вообще.

Наноматериалы, как известно в настоящее время, могутбыть получены из следующих биологических объектов:

-ферритинов и связанных с ними белков, содержащих железо;

-магнетотактических бактерий;

-псевдозубов некоторых моллюсков

-микроорганизмов, извлекающих некоторые металлы из природных соединений.

Ферритины — это класс белков, обеспечивающих живым организмам возможность синтезировать частицы гидроксидов и оксифосфатов железа, биологические функции которых касаются хранения и транспортировки железа, а также обезвреживания токсикации (отравления) организма этим металлом. Ферритины были найдены во многих типах живых организмов от бактерий до человека. Они являются железосодержащими белками печени, селезенки, костного мозга и других тканей.

Ячейки самоорганизуются, формируя структуру с каналами, которые позволяют ионам железа проникать внутрь или выходить наружу. Ячейку (или раковину) ферритинового белка можно рассматривать как реакционный сосуд, в пределах которого синтезируются мельчайшие частицы новых материалов. При биологически управляемом формировании соотношения различных компонентов зависят отприроды объекта.Так у млекопитающих молекулы ферритина содержат частицу минерала ферригидрита диаметром 6 нм.

Еще один путь получения наноматериалов биологическим путем — из моллюсков. Определенные виды этих организмовимеют некое подобие зубов, прикрепленных к органу типа языка (радуле), чтобы соскребать себе пищу. «Зубы» содержат нанокристаллические иголки из очень твердых материалов — гетита и магнетита.

Как показывают исследования, магнетотактические бактерии и моллюски являются производителями магнитных систем с оптимальными свойствами. Их можно рассматривать как биологические источники магнитных наночастиц.

Получение наночастиц металлов также возможно с помощью микроорганизмов. Как считалось ранее, деятельность микроорганизмов дает результаты в ощутимых размерах только при очень длительном периоде

«работы». В настоящее время установлено, что биохимические процессы при участии микроорганизмов иногда протекают настолько быстро, что вполне реально их практическое применение.

Данный вывод относится и к химическим реакциям, представляющим интерес для металлургии. Обнаружены бактерии, окисляющие серу, железо, водород и другие вещества. Определена возможность с помощью микроорганизмов извлекать из руд различные металлы. Поэтому в технической микробиологии появился новый раздел, который называют микробиологической гидрометаллургией.