科學人雜誌
生物工程

厭氧呼吸合成半導體

2020-12-01 權英雅(Karen Kwon)
利用厭氧菌轉移電子,製造二維奈米材料二硫化鉬。


一個多世紀以來,科學家已經知道某些細菌可行厭氧呼吸,也就是在沒有氧氣的情況下呼吸。但是要到最近幾十年,研究人員才開始利用這種特性來製造有用的材料。現在,電子工程師已經找到一種方法,能利用這種細菌來製造日漸重要的二維材料「二硫化鉬」(MoS2),這種材料可以製成厚度僅有幾個原子的薄片,有望用於未來的電子產品。這項發表在《生物中間相》上的新研究,有助於避免需要在嚴苛環境下進行的艱鉅合成過程。


美國壬色列工學院的電子工程師,也是該論文的資深作者索耶(Shayla Sawyer)說:「石墨烯是二維材料中具突破性的超級明星。但是二硫化鉬的差別在於,它帶來了新的『技能』。」石墨烯和二硫化鉬都既堅固又富彈性,對於構建未來的感測器和能量收集系統很有用。石墨烯是導體,二硫化鉬則是半導體,半導體可以透過外界刺激(例如光)來控制導電度。


索耶說,二硫化鉬「在化學應用上也較為廣泛」,例如可輕鬆改變化合物的表面以幫助捕獲微生物。但是二硫化鉬很難合成,並未參與這項研究的加拿大亞伯達大學材料工程師李智(Zhi Li)說,這個過程可能要在200~500℃和10倍大氣壓力的環境下進行。


為了解決這個問題,索耶等人利用Shewanella oneidensis這種細菌的厭氧呼吸設計出新的合成技術。當這種細菌呼吸時,最後會把電子轉移到氧原子上。壬色列工學院的生物電子工程師,也是論文的第一作者芮斯(James Dylan Rees)表示,但是在厭氧環境中,同一生物可以把電子轉移到特定的金屬化合物上。經過某些試誤,確定使用的最佳金屬化合物後,研究團隊把金屬與細菌放在一個幾乎沒有空氣的瓶子中。然後細菌會在呼吸過程中把電子傳遞給化合物,在兩星期之內製造出副產物二硫化鉬的奈米顆粒。


李智評論,他喜歡這項研究提出在室溫下持續製造二硫化鉬的方式,但是如果要在感測器和電池等電子設備中可靠穩定地使用這材料,能夠控制材料中原子重複排列的統一性就很重要。索耶說,她的團隊仍需在製程方面繼續努力,這是面對活生生細菌時的艱鉅任務。她表示,利用細菌合成材料的前景一片光明,「我們目前碰觸到的可能性只是表面。」(宋宜真 譯)


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