Scienziati sponsorizzati dall'Office of Naval Research (ONR) hanno modificato geneticamente un comune batterio del suolo per creare cavi elettrici che non solo conducono elettricità, ma ma sono migliaia di volte più sottili di un capello umano.

Poiché i dispositivi elettronici toccano sempre più tutti gli aspetti della vita delle persone, c'è un crescente appetito per la tecnologia che è più piccola, più veloce, mobile e potente che mai. Grazie ai progressi della nanotecnologia (manipolazione della materia su scala atomica o molecolare), l'industria può produrre materiali di soli miliardesimi di metro di spessore.

I ricercatori sponsorizzati dall'ONR, guidati dal microbiologo Dr. Derek Lovley dell'Università del Massachusetts Amherst, affermano che i loro cavi ingegnerizzati possono essere prodotti utilizzando risorse energetiche "verdi" rinnovabili come l'energia solare, anidride carbonica o rifiuti vegetali; sono realizzati in materiale atossico, proteine ​​naturali; ed evitare processi chimici aggressivi tipicamente utilizzati per creare materiali nanoelettronici.

"Ricerche come quella del Dr. Lovley potrebbero portare allo sviluppo di nuovi materiali elettronici per soddisfare la crescente domanda di dispositivi informatici più potenti, " ha detto la dottoressa Linda Chrisey, un ufficiale di programma nel Warfighter Performance Department dell'ONR, che sponsorizza la ricerca. "Essere in grado di produrre fili estremamente sottili con materiali sostenibili ha un enorme potenziale di applicazione come componenti di dispositivi elettronici come sensori, transistor e condensatori."

Il fulcro del lavoro di Lovley è Geobacter, un batterio che produce nanofili microbici, filamenti proteici simili a capelli che sporgono dall'organismo, consentendogli di stabilire connessioni elettriche con gli ossidi di ferro che supportano la sua crescita nel terreno. Sebbene Geobacter trasporti naturalmente abbastanza elettricità per la propria sopravvivenza, la corrente è troppo debole per l'uso umano, ma è sufficiente per essere misurato con gli elettrodi.

Il team di Lovley ha modificato il corredo genetico dei batteri per sostituire due amminoacidi naturalmente presenti nei fili con il triptofano, che è accusato (erroneamente, alcuni dicono) per la sonnolenza che deriva dal troppo tacchino del Ringraziamento. Accuse di cibo a parte, il triptofano in realtà è molto bravo a trasportare gli elettroni su scala nanometrica.

"Man mano che abbiamo appreso di più su come funzionavano i nanofili microbici, ci siamo resi conto che potrebbe essere possibile migliorare il design della natura, " ha detto Lovley. "Abbiamo riorganizzato gli amminoacidi per produrre un nanofilo sintetico che pensavamo potesse essere più conduttivo. Speravamo che Geobacter potesse ancora formare nanofili e raddoppiare la loro conduttività".

I risultati hanno superato le aspettative della squadra in quanto il sintetico, i nanofili infusi con triptofano erano 2, 000 volte più conduttivo delle loro controparti naturali. Ed erano più resistenti e molto più piccoli, con un diametro di 1,5 nanometri (oltre 60, 000 volte più sottile di un capello umano), il che significa che migliaia di nanofili potrebbero essere immagazzinati negli spazi più piccoli.

Lovley e Chrisey affermano che questi nanofili ultraminiaturizzati hanno numerose potenziali applicazioni poiché i dispositivi elettronici e informatici continuano a ridursi di dimensioni. Per esempio, potrebbero essere installati in sensori medici, dove la loro sensibilità ai cambiamenti di pH può monitorare la frequenza cardiaca o la funzione renale.

Dal punto di vista militare, i nanofili potrebbero alimentare correnti elettriche a microbi appositamente progettati per creare butanolo, un carburante alternativo. Ciò sarebbe particolarmente utile in località remote come l'Afghanistan, dove i convogli di carburante vengono spesso attaccati e costa centinaia di dollari per gallone spedire carburante ai combattenti.

I nanofili di Lovley possono anche svolgere un ruolo cruciale nell'alimentare microbi altamente sensibili (che potrebbero essere posizionati su un chip di silicio e attaccati a veicoli senza equipaggio) che potrebbero rilevare la presenza di inquinanti, sostanze chimiche tossiche o esplosivi.

"Questo è un momento entusiasmante per essere all'avanguardia nella creazione di nuovi tipi di materiali elettronici, " ha detto Lovley. "Il fatto che possiamo fare questo con sostenibile, i materiali rinnovabili lo rendono ancora più gratificante."

La ricerca di Lovley fa parte degli sforzi dell'ONR nella biologia sintetica, che crea o riprogetta microbi o altri organismi per svolgere compiti specifici come migliorare la salute e le prestazioni fisiche. Il campo è una delle principali priorità di ricerca dell'ONR a causa del suo potenziale impatto di vasta portata sulle prestazioni dei combattenti e sulle capacità della flotta.