Problem z tradycyjnymi rozwiązaniami
Główną przeszkodą w wykorzystaniu płynnych metali była warstwa tlenku tworząca się na ich powierzchni. Ta cienka powłoka skutecznie blokowała przepływ elektronów, uniemożliwiając prawidłowe działanie układów. Dodatkowo hydrofobowy charakter tych materiałów utrudniał ich przyleganie do podłoży elektronicznych. Zespół profesora Seokheun Choi eksperymentował wcześniej z polimerami przewodzącymi, ale te również nie spełniały oczekiwań. Ich zdolność do przewodzenia prądu okazała się niewystarczająca, a kruchość mechaniczna stanowiła poważny problem w kontekście urządzeń pracujących w trudnych warunkach.
Nie byłem zadowolony z interfejsu – nie był on płynny – i chociaż polimery są przewodzące, to nie tak bardzo jak metal. Ponadto, większość bioelektroniki będzie wdrażana w bardzo trudnych warunkach, więc są one podatne na uszkodzenia mechaniczne. Muszą mieć właściwości samonaprawcze – tłumaczy Choi
Przełom przyszedł z nieoczekiwanej strony. Okazało się, że dodanie uśpionych endospor bakterii Bacillus subtilis do płynnego metalu rozwiązuje większość problemów. Te mikroskopijne struktury posiadają na swojej powierzchni chemiczne grupy funkcyjne, które wchodzą w interakcję z warstwą tlenkową. Siła tego oddziaływania jest na tyle duża, iż rozrywa problematyczną powłokę, przywracając materiałowi pełną przewodność elektryczną. Bakterie elektrogeniczne pełnią w tym układzie podwójną funkcję. Z jednej strony prowadzą normalne procesy metaboliczne, wykorzystując dostępne molekuły i jony. Z drugiej – generują elektrony, co umożliwia im komunikację z systemami elektronicznymi. Ta unikalna cecha czyni je idealnym łącznikiem między światem biologii i technologii. Kompozyt wykazuje zwiększoną przewodność elektryczną, zwłaszcza gdy spory zaczynają kiełkować. Co ciekawe, materiał ten można nanosić na różne podłoża, włącznie ze zwykłym papierem, bez utraty kluczowych właściwości przewodzących.
Samonaprawa i zrównoważony rozwój
Najbardziej imponującą cechą nowego materiału jest jego zdolność do samonaprawy. Gdy dojdzie do przerwania obwodu, kompozyt automatycznie wypełnia powstałą lukę. Ta funkcja ma kluczowe znaczenie dla urządzeń wszczepialnych, gdzie tradycyjna naprawa jest niemożliwa. Endospory bakterii potrafią przetrwać w ekstremalnie trudnych warunkach, pozostając w stanie uśpienia aż do momentu, gdy środowisko stanie się bardziej sprzyjające. Ta biologiczna elastyczność przekłada się na praktyczne korzyści: materiał może funkcjonować w zmiennych warunkach, dostosowując się do sytuacji.
Potencjalne zastosowania obejmują urządzenia noszone i wszczepialne, które mogłyby bezpośrednio komunikować się z tkanką ludzką. Bioczujniki i bioaktuatory reagujące na bodźce środowiskowe w czasie rzeczywistym mogłyby otworzyć nowe możliwości w monitorowaniu stanu zdrowia. Badacze zwracają uwagę na dodatkową korzyść środowiskową: możliwość redukcji elektronicznych odpadów. Urządzenia stworzone z tego materiału mogłyby ulegać naturalnemu rozkładowi po zakończeniu okresu użytkowania, co stanowiłoby istotny krok w kierunku bardziej ekologicznej elektroniki.
Przed komercjalizacją technologii konieczne są jednak dalsze badania. Naukowcy muszą opracować lepsze metody kontrolowania procesu aktywacji endospor oraz zbadać długoterminową stabilność kompozytu w różnych środowiskach. Szczególnie ważna będzie ocena interakcji z systemami biologicznymi i kwestie bezpieczeństwa dla zastosowań medycznych. Optymalizacja właściwości mechanicznych i zwiększenie trwałości bakterii w matrycy płynnego metalu to kolejne zadania czekające na rozwiązanie. Wyniki dotychczasowych badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Functional Materials.