Титан широко используется в производстве кораблей, морских сооружений, самолетов и медицинских имплантатов, поскольку он чрезвычайно устойчив к коррозии. Его долговечность обусловлена ультратонким слоем диоксида титана, который естественным образом появляется на поверхности металла. Эта оксидная плёнка действует как защитная броня, отделяя металл от окружающей среды и блокируя перенос электронов, необходимый для коррозионных реакций.
Однако один вопрос десятилетиями ставил ученых в тупик: как микроорганизмы могут разъедать титан, если его защитный оксидный слой практически не проводит электрический ток?
Исследование, проведенное доктором Цзяци Ли из Северо-Восточного университета, показало, что морские бактерии не атакуют титан напрямую. Вместо этого они сначала ослабляют его защитный оксидный слой с помощью ранее неизвестного биоэлектрохимического процесса.
Команда сосредоточилась на Shewanella, морских бактериях, известных своей способностью переносить электроны вне клеток. Несмотря на то, что окружающая морская вода оставалась богатой кислородом, бактериальные биоплёнки непрерывно поглощали кислород и создавали на поверхности металла микроскопические зоны с пониженным содержанием кислорода. Эти скрытые анаэробные микросреды позволяли осуществлять внеклеточный перенос электронов даже в аэробных условиях.
Оказалось, что ключевую роль играют восстановленные флавины, которые естественным образом вырабатываются бактериями. Вместо того чтобы действовать как коррозионные вещества, флавины переносят электроны, образующиеся в процессе метаболизма бактерий, на защитный оксидный слой титана, постепенно восстанавливая стабильный диоксид титана до оксидов титана с более низкой степенью окисления. По мере того как пленка истончается и в ней накапливаются структурные дефекты, она постепенно теряет способность защищать лежащий под ней металл, что делает титан все более уязвимым для локальной коррозии.
«Мы с удивлением обнаружили, что бактерии не просто изменяют окружающую химическую среду, — говорит доктор Цзяци Ли, первый автор исследования. — Они напрямую передают электроны защитному оксидному слою титана, кардинально изменяя его химическое состояние и снижая коррозионную стойкость».
Чтобы подтвердить этот механизм, исследователи использовали передовую электронную микроскопию, химический анализ поверхности, электрохимические измерения, методы генной инженерии и первопринципные расчеты. В совокупности эти подходы продемонстрировали, что перенос электронов с участием флавинов дестабилизирует пассивную пленку диоксида титана. Бактериальные штаммы, модифицированные для выработки большего количества флавинов, приводили к еще большему разрушению пассивной пленки и сильной коррозии, что является прямым доказательством ключевой роли флавинов.
Это открытие ставит под сомнение устоявшееся мнение о том, что микробиологическая коррозия титана вызвана в первую очередь кислыми метаболитами или другими коррозионными химическими веществами, выделяемыми микроорганизмами. Вместо этого оно указывает на внеклеточный перенос электронов как на прямой путь, с помощью которого микробы могут изменять электронную структуру и химическое состояние защитной пленки на титане.
«Это открытие меняет наше представление о том, как микроорганизмы взаимодействуют с пассивными металлами, — заявили исследователи. — Будущие коррозионностойкие материалы могут быть сконструированы таким образом, чтобы не только предотвращать образование биопленок, но и делать внешнюю поверхность более электроизолирующей».
Полученные результаты, опубликованные в журнале National Science Review, имеют важное значение для отраслей, в которых используется титан в условиях длительной эксплуатации, включая морское строительство, морские перевозки, энергетическую инфраструктуру и производство биомедицинских имплантатов. Выявив ранее неизвестный механизм биоэлектрохимической коррозии, исследователи заложили основу для разработки титановых материалов нового поколения с повышенной устойчивостью к коррозии, вызванной микроорганизмами.
