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您未来的计算机是否会使用细菌制造?

为了创造新的和更有效的计算机,医疗设备和其他先进技术,研究人员正在转向纳米材料:在具有独特性质的原子或分子的规模上操纵的材料。

石墨烯 - 一种像原子一样薄的碳片 - 是一种革命性的纳米材料,因为它具有易于导电的能力,以及非凡的机械强度和柔韧性。然而,将其用于日常应用的一个主要障碍是大规模生产石墨烯,同时仍保留其惊人的性能。

在 杂志上发表的论文 ChemOpen, 安妮S.迈耶,副教授 生物 在 罗切斯特大学,和她的同事们在 位于荷兰代尔夫特理工大学,描述了一个方法来克服这一障碍。研究人员概述了他们使用一种新技术生产石墨烯材料的方法:将氧化石墨与细菌混合。与生产石墨烯材料相比,他们的方法是一种更具成本效益,省时且环保的石墨烯材料生产方式,可以创造出创新的计算机技术和医疗设备。

石墨烯是从普通铅笔中发现的石墨中提取的。在一个原子厚度,石墨烯是 研究人员已知的最薄但最强的二维材料。来自英国曼彻斯特大学的科学家因 发现石墨烯而获得 2010年诺贝尔物理学奖 ; 然而,他们使用胶带制造石墨烯的方法仅产生少量材料。

“对于真正的应用程序,你需要大量的,”迈耶说。“产生这些大量的材料具有挑战性,并且通常导致石墨烯更厚且更不纯净。这就是我们的工作所在。“

为了生产更大量的石墨烯材料,迈耶和她的同事们开始使用一小瓶石墨。他们剥离石墨 - 剥落材料层 - 生产氧化石墨烯(GO),然后将它们与细菌Shewanella混合 。他们将细菌和前体材料的烧杯放置过夜,在此期间细菌将GO还原为石墨烯材料。

氧化石墨烯易于生产,但由于其中含有所有氧基团,因此不太导电,”Meyer说。“这种细菌会去除大部分氧气,使其变成导电材料。”

虽然Meyer实验室中产生的细菌生产的石墨烯材料具有导电性,但它比化学生产的石墨烯更薄且更稳定。它还可以存储更长的时间,使其非常适合各种应用,包括场效应晶体管(FET)生物传感器和导电油墨。FET生物传感器是检测生物分子的装置,并且可以用于执行例如糖尿病患者的实时葡萄糖监测。

“当生物分子与设备结合时,它们会改变表面的电导,发出分子存在的信号,”迈耶说。“为了制造出良好的FET生物传感器,您需要一种高导电性的材料,但也可以进行修改以与特定分子结合。”已经还原的氧化石墨烯是一种理想的材料,因为它重量轻且导电性很强,但它通常保留了可用于结合目标分子的少量氧基团。

细菌生产的石墨烯材料也可以是导电油墨的基础,其又可以用于制造更快和更有效的计算机键盘,电路板或小线,例如用于解冻汽车挡风玻璃的那些。Meyer说,与传统技术相比,使用导电油墨是一种“更容易,更经济的生产电路的方法”。导电油墨也可用于在非传统材料(如织物或纸张)之上生产电路。

“我们的细菌生产的石墨烯材料将更好地适应产品开发,”Meyer说。“我们甚至能够开发出'细菌光刻'技术来制造仅在一侧导电的石墨烯材料,这可以开发出新的先进纳米复合材料。”

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