Как известно, некоторые из видов бактерий могут вырабатывать электрическую энергию. С учетом этого, были предприняты попытки использования таких «электрических» бактерий в батареях и топливных элементах, но все созданные ранее решения отличались крайне малой эффективностью. Не так давно группа исследователей из Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) создала биогибридную батарею, построенную на базе нового гидрогеля, который одновременно является отличной средой для существования бактерий и позволяет эффективно собирать вырабатываемое ими электричество.
Бактерии, использованные в биогибридной батарее, относятся к семейству экзоэлектрогенов (exoelectrogens), они производят в своих внутренностях свободные электроны и позволяют им проходить сквозь клеточную мембрану, покидая пределы живых клеток. И если появляется возможность собирать эти свободные электроны, то бактерии превращаются в крошечные живые батареи в прямом смысле этого слова.
Однако, при создании таких биогибридных энергетических систем надо удерживать очень хрупкое равновесие, несоблюдение которого привело к краху предыдущих попыток. Материалы, с высокой эффективностью проводящие электрический ток и позволяющие проводить электроны к электродам батареи, не очень совместимы с процессами жизнедеятельности бактерий. А биологические материалы, в среде которых бактерии чувствуют себя весьма комфортно, как правило, не являются качественными проводниками электричества.
Решением описанной выше проблемы стал новый материал на основе гидрогеля, в состав которого включены углеродные нанотрубки и кремниевые наночастицы, которые хорошо проводят электрический ток и являются биологически нейтральными. А внутренняя структура материала формируется при помощи коротких цепочек ДНК, связывающих воедино нанотрубки и наночастицы. После формирования основы структуры материала, в его состав вводится раствор, в котором содержатся сами экзоэлектрогенные бактерии и все необходимые им питательные вещества.
Попав в благоприятную среду, бактерии интенсивно размножаются и проникают во все уголки материала, заполняя имеющиеся поры. Вырабатываемое бактериями электричество отводится к электродам батареи по сети нанотрубок и наночастиц, а когда такая биогибридная батарея вырабатывает свой ресурс, в нее вводится специальный фермент, разрушающий цепочки ДНК. Разрушение ДНК приводит к разрушению структуры материала, который превращается в аморфную массу, которую можно или восстановить, или утилизировать без особых проблем.
Изменение некоторых свойств материала биогибридной батареи можно произвести путем изменения размера и последовательности связующих нитей ДНК. И сейчас ученые экспериментируют с этим, пытаясь добиться от батареи высоких показателей, что откроет перед данной технологией двери для коммерческого применения.