Антимикробное действие благородных металлов получило объяснение. Физики выяснили, что кроме выделения токсичных для бактерий ионов, как у серебра, у благородных металлов есть еще одно оружие против микробов. Так, наноструктуры из золота создают поле, гиперполяризующее органические молекулы. Этим они портят клеточные стенки бактерий и убивают их.
(а) Бактерии после контакта с наночастицами золота, (b) бактерии на золотой поверхности
© Naoki Miyazawa et al. / Scientific Reports / CC BY 4.0
Открытие, сделанное японскими учеными, описано на страницах Scientific Reports. Исследователи изучили наноструктуры из золота, которые в предыдущих опытах показали, что их антибактериальные свойства заметно выше в сравнении с простой золотой поверхностью. Кишечные палочки (E. coli) на золоте чувствуют себя относительно неплохо, а вот на наноструктурированном металле они гибнут: на микрофотографиях видно, что клеточные стенки бактерий после контакта с наночастицами лопались и наружу пролилась цитоплазма.
Способность ряда благородных металлов, например серебра, бороться с бактериями известна давно. Серебро оказывает свой эффект за счет выделения ионов, но в случае с золотом такое объяснение не срабатывает. И японские исследователи решили выяснить, в чем же дело. Они определили то, как меняется антибактериальная активность у различным образом приготовленных наночастиц, и выяснили, что наиболее эффективны в борьбе с бактериями самые маленькие, всего 20 нанометров в диаметре, золотые наношарики.
Далее физики определили для изученных наночастиц работу выхода. Это квантовая характеристика, которая указывает на нужную для вырывания из изучаемого объекта электрона: чем крепче электроны держатся внутри, тем выше работа выхода. И если для ровного золотого листа работа выхода составила чуть больше 5 электронвольт, то у самых эффективных (самых маленьких) наночастиц она же перевалила за отметку 5,8 эВ.
Чтобы узнать, насколько велика работа выхода, ученые облучали образцы ультрафиолетом в электрическом поле. Как только энергия квантов ультрафиолетового излучения превышала работу выхода, выбитые ими электроны начинали покидать металл.
Электронвольт (эВ) — единица энергии, применяемая в отношении разных микрообъектов и равная энергии электрона, на который подействовала разность потенциалов в один вольт. Энергия квантов света составляет два-три электронвольта, а вот рентгеновские лучи уже дают тысячи эВ.
Изменение работы выхода указывало на то, что в золотых наноструктурах меняется электромагнитное взаимодействие электронов с кристаллической решеткой. Поэтому следующим шагом ученые смоделировали структуру металла (как чистого, так и в сплаве с платиной) и рассчитали, что произойдет с органическими молекулами из клеточной стенки бактерий при приближении к подобным наночастицам.
Внутри материала, как показали вычисления, электроны сложным образом переупорядочиваются вблизи поверхности и создают электрическое поле, гиперполяризующее бактериальные молекулы. В золотых наночастицах, особенно при добавлении туда платины, собственные электроны распределяются неравномерно, и вокруг них возникает поле, портящее органические молекулы за счет притягивания электронов, но без загрязнения окружающего пространства какими-либо частицами. Это выгодно отличает золото от серебра, не говоря уж о свинце. Последний убивает бактерий, но токсичен для человека и животных.
Эффект золота же можно сравнить с волшебной аурой: металл не выделяет ничего сам по себе, но убивает вредоносные микроорганизмы самой своей близостью. Для этого нужен прямой контакт с бактериями — обеззараживать так, к примеру, воду или иные жидкости не получится, однако на поверхностях из наноструктурированного золота микробы не смогут формировать свои колонии. В своей статье ученые отмечают, что далее необходимо детально проследить за процессом гибели бактерий и это позволит поставить новый антибактериальный материал на вооружение медиков.
Источник: chrdk.ru
