5.4. Биологические методы

Биологические пути синтеза наночастиц можно разделить на два вида: естественные и искусственные. Последние относятся к группе биомиметических и, в свою очередь, классифицируют на две группы, одна из которых предусматривает использование матричных методов.

Естественный путь получения некоторых наноматериалов – биоминерализация (морфогенез) – процессы образования организованных неорганических или гибридных материалов сложных морфологических форм. Многие такие материалы имеют спиральную, змеевидную, витую, дырчатую или сетчатую форму. В основе синтеза может лежать матричный синтез и молекулярное узнавание. Биокристаллы чаще всего образуются из SiO₂ (скелеты диатомовых водорослей и радиолярий, некоторых растений), CaCO₃ (раковины моллюсков), Ca₅(PO₄)₃OH, реже из СaCO₃-MgCO₃ (некоторые кораллы), SrSO₄ наряду с SiO₂ (некоторые радиолярии). При этом SiO₂ не имеет кристаллической структуры и содержит большое число концевых ОН-групп.

Образование наночастиц в организмах направляется органическими матрицами. ^5-121 Биогенное происхождение имеют магнитные наночастицы Fe₃O₄, обнаруженные в микроорганизмах, у насекомых, рыб, амфибий, птиц и млекопитающих (дельфины). Даже в человеческом мозгу и сердце есть такие наночастицы. Наибольшее значение для практики могут иметь магнитотактические бактерии, поскольку их легко культивировать. Извлечение из них наночастиц проводят центрифугированием или прессованием.

Биологический синтез наночастиц подразделяют на фитосинтез (синтез растениями), микосинтез (синтез грибами) и т. п. Так, грибы вида Fusarium oxysporum восстанавливают ионы Ag⁺ и образуют наночастицы диаметром 20–50 нм. Некоторые виды дрожжей выделяют Ag из раствора.

Существует большое число белков, имеющих клетчатое строение с оболочкой и внутренней полостью. Толщина оболочки составляет обычно 2–5 нм. К двум основным классам таких белков относятся вирусы и структуры типа ферритина. Вирусы отличаются широким, а ферритин, напротив, очень узким набором размеров внутренней полости.

Водорастворимый белок ферритин продуцируется в организмах и растениях и состоит из 24 полипептидных блоков, образующих внешнюю почти сферическую оболочку с полостью диаметром 7–8 нм и толщиной оболочки около 6 нм. Он может содержать в полости до 4500 атомов Fe в составе гидратированного гидроксида Fe³⁺. ^5-122

Животный ферритин производится в промышленных масштабах и может использоваться в своей естественной форме или после модифицирования для получения магнитных материалов или катализаторов на подложке. Разбавленный стабилизированный водный раствор ферритина (~10 г/л) наносят методом спинингования. При удалении органической составляющей из ферритина получают индивидуальные частицы окcида железа размером 1–3 нм. ^5-123

Некоторыми микроорганизмами продуцируются наночастицы Ag, Au, Pd. Наночастицы неорганических веществ образуют некоторые водоросли, грибки, дрожжи. Многие бактерии в анаэробных условиях селективно восстанавливают Fe(III) до магнетита, являясь своеобразными источниками электронов. Часть выделяющейся при этом энергии расходуется на поддержание жизнедеятельности бактерий, т. е. бактерии служат как бы нерасходуемым реагентом. ^5-124

Многочисленные биологические структуры, имеющие различный масштаб и организованные путем самосборки, могут служить матрицей или поддерживающими «лесами» для неорганических компонентов. Диаметр спиральных ДНК составляет около 20 нм, рибосомы и вирусы имеют размер около 100 нм. В матричном синтезе используют внешнюю поверхность или внутреннюю полость белков, а также некоторые растительные остатки. Достоинством многих биогенных структур и микроорганизмов является малый размер, однородность и воспроизводимость формы. Микроорганизмы воспроизводятся при умеренных температурах и давлениях, не требуют высокоагрессивных и экологически опасных сред.

В качестве матрицы, направляющей формирование некоторых наночастиц (ZnS, CdS, FePt, CoPt), могут использоваться бактериофаги – вирусы бактерий. Бактериофаги отличаются большим химическим и структурным разнообразием, а многие из них легко размножать. Для синтезов применяют бактериофаг М13 и капсиды – отдельные белки, образующие оболочку бактериофагов и имеющие упорядоченную структуру. Матрицу выдерживают в растворе солей металлов, затем выросшие на ней ориентированные нанокристаллы превращают при отжиге в монокристаллические нанопроволоки.

К необычным синтезам можно отнести образование грибами Fusarium oxysporium не только наночастиц Ag или Au, но и наночастиц ZrO₂, CdS, BaTiO₃. Есть растения, которые способны формировать биметаллические частицы Ti/Ni.

Среди матриц природного происхождения определенное внимание привлекают также скелеты (панцири) диатомовых водорослей. Представление об их форме даёт рис. 148. ^5-125

Рис. 148.

С точки зрения химии скелет диатомовой водоросли представляет собой весьма интересное образование. Он состоит из аморфного, коллоидного кремнезема, который образовался за счет нестабильностей при диффузионном осаждении. Небольшие размеры отдельных скелетов (до 1 мм диаметром) и фрактальный характер их структуры с размером отдельных частей порядка 100 нм или меньше позволяют использовать материал либо непосредственно, либо как матрицу и создавать трехмерные структуры с иным химическим составом. Так, SiO₂ удалось заменить на MgO, для этого диатомит выдерживали 4 ч. в парах Mg при 900 ^оС. Реакцию можно выразить уравнением:

SiO_{2 (тв)} + 4 Mg _(г) = 2 MgO_(тв) + Mg₂Si_(ж).

Созданы трехмерные структуры, повторяющие скелет водоросли, но состоящие из анатаза – одной из форм TiO₂. Развитая поверхность такого диоксида титана, его микропористая структура значительно усиливают каталитическое действие. Для замены кремния на титан была использована реакция:

SiO_2(тв) + TiF_4(г) = SiF_4(г) + TiO_2(тв). ^5-126

Ещё одним биологическим объектом, привлекающим внимание технологов, являются археи. Жгутики архей – их двигательные органы – представляют собой спирали, имеют длину 4–10 мкм, толщину 10–20 нм и могут применяться для матричного синтеза. ^5-127

Биологические методы – не только использование или повторение природных процессов, но и использование самих биомолекул для получения новых материалов. В течение тысячелетий природные линейные полимеры в составе гуммиарабика (выделения сенегальской акации) используются для стабилизации дисперсии наночастиц сажи и приготовления туши. ^5-128

Молекулярная биология (главной задачей которой является понимание жизненных процессов на молекулярном уровне) берет начало с 1953 г., когда была расшифрована структура ДНК. Сейчас происходит постепенное сближение молекулярной биологии и науки о создании материалов. Существует четыре основных типа биомолекул: нуклеиновые кислоты, белки, липиды и полисахариды. Их составными частями служат соответственно нуклеотиды, аминокислоты (20), жирные кислоты и сахара (десятки). Лучше всего изучены нуклеиновые кислоты и белки.

Молекулы ДНК могут быть с одной или двумя цепями, каждая цепочка состоит из основы и четырех оснований – аденина (А), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T). Основная цепь состоит из пятиуглеродных молекул сахара (пентоза, в данном случае деоксирибоза), связанных фосфодиэфирными связями. Такие связи придают цепочкам ДНК полярность: один конец содержит фосфатогруппу, другой – гидроксигруппу. Цепочки объединяются в пары так, что фосфатогруппы одной и гидроксигруппы другой оказываются рядом. Кроме того, осуществляется специфическое нековалентное спаривание: А с Т и G c C, что делает ДНК самопрограммируемыми. Связь G-C прочнее связи А-Т. Вообще ДНК – это двойная правозакрученная спираль. Обычно длина ее составляет около 50 нм.

С помощью различных энзимов можно удлинять, укорачивать или модифицировать (метить, метилировать) ДНК и РНК. Эти кислоты можно ковалентно (через связи S – Au) или нековалентно (электростатически или путем создания пары авидин – стрептавидин) привязать к поверхности.

Органические вещества природного происхождения влияют на морфологию и кристаллическую модификацию карбонатов щелочных металлов. Форма наночастиц извести может меняться под действием бактерий.

Самосборка в биосистемах протекает с использованием слабых, нековалентных связей. К ним относятся:

• водородные связи;

• ионные связи (электростатическое взаимодействие);

• ван-дер-ваальсовы связи.

Молекулы ДНК способны солюбилизировать наночастицы (например, углеродные нанотрубки) и направлять многие реакции синтеза наноматериалов и формирования наноструктур. С их помощью, например, к «лесу» из выстроенных перпендикулярно подложке углеродных нанотрубок привязывали наностержни оптически активного ZnO.

Сок некоторых растений может выступать восстановителем в химических реакциях образования наночастиц. Так, экстракт одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris позволяет при комнатной температуре получать нанопластинки Ag. Содержащиеся в нем белки действуют не только как восстановитель, но и как реагент, определяющий форму наночастиц. Восстановление Ag достигалось при использовании водного экстракта из листьев обычной герани.