Silicon och Sun

På sitt kontor vid stranden med utsikt över Santa Barbara-kanalen, packar Daniel Morse försiktigt upp ett av sina uppskattade exemplar. Ett intrikat gallerverk av glänsande glasfibrer, det ser ut som ett abstrakt konstverk eller en detaljerad arkitektonisk modell av en skyskrapa. Men det är faktiskt skelettet av en av de mest primitiva flercelliga organismerna som fortfarande existerar - en art av marin svamp allmänt känd som Venus blomkorg. Morse, en molekylärbiolog vid University of California, Santa Barbara, vill veta hur en så enkel varelse kan sätta ihop en så komplicerad struktur. Och sedan vill han sätta den kunskapen i arbete, skapa sina egna exotiska strukturer.

Daniel Morse har en art av marin svamp, allmänt känd som Venus blomkorg. (Kredit: Gregg Segal)

Den låga svampen har kommit med en anmärkningsvärd lösning på ett problem som har förbryllat världens främsta kemister och materialforskare i decennier: hur man får enkla oorganiska material, som kisel, att sätta ihop sig till komplexa nano- och mikrostrukturer. För närvarande innebär att göra en mikroskalig enhet – säg en transistor för ett mikrochip – att fysiskt skära ut den ur en kiselskiva; det är en dyr och krävande process. Men naturen har mycket enklare sätt att göra lika komplexa mikrostrukturer med bara kemi - blanda samman föreningar i precis rätt kombination. Svampens metod är särskilt elegant. Svampen sitter på havsbotten tusentals meter under ytan av västra Stilla havet och utvinner kiselsyra från det omgivande havsvattnet. Den omvandlar syran till kiseldioxid – kiseldioxid – som, i en anmärkningsvärd bedrift av biologisk ingenjörskonst, sedan sätts samman till en exakt, tredimensionell struktur som återges i exakt detalj av varje medlem av dess art.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2006

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Det som gör svamparnas prestation så imponerande, säger Morse, är att den inte kräver de giftiga kemikalier och höga temperaturer som krävs för mänsklig tillverkning av komplexa oorganiska strukturer. Svampen, säger han, kan montera intrikata strukturer mycket mer effektivt än ingenjörer som arbetar med samma halvledarmaterial.

Denna primitiva varelse och ett antal andra marina organismer har blivit en inspiration för forskare som hoppas kunna hitta enklare och billigare sätt att bygga oorganiska strukturer, såsom halvledarenheter, för användning i datormikrochips, avancerade material och solceller. Målet är att få kisel och andra oorganiska ämnen att självmontera till fungerande elektronik på samma sätt som svampen sätter samman kiseldioxid till komplexa former (se Andra i Bio-Inspired Materials,) . Energiintensiva, miljarder dollar halvledartillverkning anläggningar kan då ersättas av kar med reagerande föreningar. Men medan praktiska industriella processer fortfarande är en bit bort, börjar forskare förstå hur svampar och andra havsdjur utför sina mikrotekniska mirakel.

Morse och hans team, till exempel, använder redan biologiska knep som har lärts av svampen för att göra nya former av halvledare med spännande elektroniska egenskaper, inklusive förmågan att omvandla ljus till elektricitet – egenskaper som kan vara användbara för att göra billigare och effektivare solceller . Hans grupp, säger Morse, bygger strukturer som aldrig hade uppnåtts tidigare.

Börja från början

Havsvattentankarna utanför Morses labb kryllar av färgglada sjöstjärnor och korallimorfarer, exotiska varelser som liknar havsanemoner. Men Morse och James Weaver, postdoc i labbet, är mer intresserade av en rostfärgad klump som ser omärkligt ut: en orange puffball-svamp, en typ av svamp som vanligtvis lever i klippskrevor strax utanför Santa Barbaras kust. Om Venus blomsterkorg är glaskatedralen av svampar, är detta halmhyddan. Den formlösa varelsen verkar inte ha ett skelett alls; men när forskarna väl löser upp det levande materialet i dess yttre återstår en handfull små glasnålar, var och en bara två millimeter lång och tunnare än ett människohår.

Även om Morse i slutändan vill förstå svampskelett som är mer komplexa, är dessa enkla nålar ett bra ställe att börja. Forskare har länge vetat att i kärnan av glasnålarna finns strängar av proteiner, men ingen förstod vad de gjorde eller hur de förknippade med nålarnas konstruktion. Så Morse och hans kollegor började med att isolera den genetiska koden för ett av proteinerna – som de som familj kom att kalla silikatiner – och körde deras resultat genom en enorm databas med kända proteiner. De förväntade sig ingen match, men de hittade en – direkt. Proteinet liknade ett proteas, ett enzym som finns i människans tarm och som är involverat i nedbrytningen och nedbrytningen av mat.

Det var väldigt bisarrt, säger Weaver. Varför har proteinet som mallar bildandet av det glasartade skelettet av en svamp något med ett proteas att göra? Forskarna började misstänka att silikatinerna gjorde mer än att bara fungera som en passiv mall. Faktum är att de fann att till skillnad från något annat enzym som tidigare studerats kan ett silikatin göra dubbelt arbete. Det producerar aktivt byggnadsmaterial som kiseloxid - på sätt och vis genom att smälta föreningar i havsvattnet - och får sedan materialen att rada upp sig längs dess längd för att bilda det nålformade glaset i svampskelettet. Inget sådant enzym hade upptäckts, säger Morse, i alla studier av biomineralisering, som har pågått i ett par hundra år.

Morse resonerade att om silikatiner var så bra på att producera kiseloxid skulle de kanske också kunna producera de typer av metalloxider som gör bra halvledare i elektronik och i vissa typer av solceller. Han hade rätt. Vid 16 grader Celsius, temperaturen vid vilken svampen lever i det kalla vattnet precis utanför vårt labb, säger Morse, kommer detta enzym att katalysera bildningen och stabilisera bildningen av kristallformer av metalloxidhalvledare som inte kan tillverkas på konventionellt sätt. förutom vid mycket höga temperaturer.

Resultatet föreslog ett billigare sätt att tillverka halvledare vid lägre temperaturer, men det fanns ett potentiellt problem: förorening. En biolog är extatisk när de får en renhet på till exempel 90 procent. En kemist är extatisk när de får en renhet på 99 procent, säger Morley Stone, en biokemist som leder forskning inom bioteknik och material för Air Force Research Labs vid Wright-Patterson Air Force Base, nära Dayton, OH. Men en elektronikingenjör eller någon annan som behöver göra enheter – de vill åtminstone se material som har fem nior av renhet bakom sig. Han tillägger: Ofta, när du använder dessa biologiska tillvägagångssätt, kan du odla några intressanta saker och få några intressanta morfologier, men de är inte i närheten av att ha den sluttillståndsrenhet som du skulle behöva i en slutlig enhet.

Morse och hans kollegor visste att om de hoppades på att göra halvledarmaterial för billiga men effektiva solceller, skulle de förmodligen behöva en kemisk syntesteknik som tog sin utgångspunkt från svamparna men undvek den röriga biologin. Svampens hemlighet, upptäckte de, var att amin- och hydroxylkemiska grupper i enzymet producerar kiseloxiden och sätter ihop den på det sätt som krävs. Det innebar att alla kemikalier som en ny syntesteknik skulle kräva kunde hittas i ammoniak och vatten. Forskarna fann att genom att blanda molekyler som innehåller metalloxidernas prekursorer i vatten och sedan exponera blandningen för ammoniakgas, kunde de skapa tunna filmer av högkristallina halvledare - material som är användbara för elektronik. Det här är genombrottet som tar oss in på området för praktisk användbarhet, säger Morse.

Dessutom har kristallerna en komplex nanostruktur som kan förbättra prestandan hos solceller. Nära vattenytan är koncentrationen av ammoniakgas relativt stark, så det är här som halvledarkristallen börjar bildas. När ammoniaken långsamt diffunderar djupare ner i vattnet, får den dock kristaller att växa ner i blandningen, vilket ger en tunn film som inte är enhetlig utan snarare består av ett nätverk av nålar eller platta plattor var och en bara några miljarddels meter tjock. Det nätet kan vara grunden för en effektivare solcell.

Soldrömmar

De solceller av kristallint kisel som för närvarande dominerar solcellsmarknaden är dyra – så dyra att energin de producerar kostar flera gånger så mycket som energi som genereras av fossila bränslen. En anledning är det höga priset på deras råvaror. Kisel är extremt rikligt på jorden, men det finns inte som ett rent element; istället är det bundet till syre och andra grundämnen – till exempel i sand. Att göra rent kisel kräver mycket energi.

För att sänka kostnaderna för solceller har forskare letat efter sätt att skära ner på mängden kisel de använder. Vissa har övergått till billigare tunna filmer gjorda av kadmiumtellurid eller kopparindiumdiselenid. Extremt tunna lager av dessa nya halvledare kan absorbera samma mängd ljus som tjockare plattor av kristallint kisel. Morses tillverkningsteknik kan vara ett billigt sätt att göra sådana tunna filmer; dessutom är nanostrukturen som hans metod producerar särskilt väl lämpad för att absorbera ljus och omvandla det till kraft.

En utmaning i att designa solceller är att se till att elektronerna som lossnar när ljus träffar en halvledare skapar en ström. När en foton träffar ett solcellsmaterial blir resultatet både en fri elektron och dess positiva motsvarighet, som kallas ett hål. Om dessa snabbt kan dras isär till motsatta elektroder, uppstår en elektrisk ström. Men svårigheten att separera dem innan de återkombineras och försvinner energi som värme är en av de stora vägspärrarna för mer effektiva solceller, säger Aravinda Kini, programchef för forskning om biomolekylära material vid det amerikanska energidepartementet.

Morses strukturer skulle kunna övervinna denna vägspärr. Nätverket av kristallina utsprång kan nedsänkas i en transparent fast eller flytande elektrod. Ljus skulle passera genom elektroden, där det skulle absorberas av kristallen. Eftersom ytarean för den strukturerade tunna filmen är hög (i ett material, 90 till 100 gånger den för en traditionell tunn film), skulle många av elektron-hålsparen som genereras av ljuset vara nära elektrodgränsytan; som ett resultat kunde de snabbt separeras, med en laddningsbärare som flyttade in i den transparenta elektroden och den andra bäraren färdades genom kristallen för att gå ut vid den motsatta elektroden.

Morse och kollegor har redan gjort mer än 30 typer av tunna halvledarfilmer och testat deras solcellsegenskaper. De arbetar nu med att införliva halvledarna i funktionella solceller. Samtidigt fortsätter Morse att utveckla nya biologiskt inspirerade metoder för sammansättning av material, med sikte på ytterligare applikationer, inklusive halvledarenheter för säkrare batterier med högre effektdensitet och mindre minneschip; han är också intresserad av att skapa laminerade fibrer för ultrastarka byggmaterial.

Men trots att han är upprymd över de potentiella tillämpningarna av hans arbete, är Morse fortfarande en molekylärbiolog. Även när han pratar om hur hans forskning kan leda till bättre solceller, stirrar han ut genom fönstret på delfinerna som leker i hamnen. Och han är fortfarande hängiven att förstå mekanismen bakom svampens komplexitet. Än en gång undersöker han det utsökta skelettet av Venus blomsterkorg, även om han utan tvekan har sett det tusentals gånger. Den här var gjord av glas, av en levande varelse, utbrister han. Det är otroligt!

Kevin Bullis är Teknikgranskning s redaktör för nanoteknik och materialvetenskap.

Andra i bioinspirerade material

Forskare

Mål

Strategi

Joanna Aizenberg,

Lucent Technologies, Murray Hill, NJ

Starka, självläkande byggmaterial och mer motståndskraftiga optiska fibrer

Förstå hur svampar sätter ihop oorganiska material

Illhan Aksay,

Princeton
universitet

Självläkande material och bättre biosensorer

Undersöker snäckskal och andra biologiska system

Angela Belcher,

MED

Bättre batterier och avancerade material för elektronik, energi och medicin

Teknik
virus för att sätta ihop material

Samuel I. Stupp,

Nordvästra
universitet

Bättre sensorer och solceller

Använder peptider
att styra bildandet av oorganiska strukturer

Dölj