Een weinig begrepen biologische eigenschap die celcomponenten in staat lijkt te stellen energie op hun buitenste randen op te slaan, is de mogelijke sleutel tot het ontwikkelen van een nieuwe klasse materialen en apparaten om te verzamelen, energie opslaan en beheren voor een verscheidenheid aan toepassingen, een team van onderzoekers van het New Jersey Institute of Technology (NJIT) en Yeshiva University heeft voorgesteld.

In een artikel dat vorige week werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie , "Dynamische Majorana-randmodi in een brede klasse van topologische mechanische systemen, "De onderzoekers rapporteren de ontdekking van een grote klasse materialen met dergelijke mogelijkheden.

"Opmerkelijk, we denken dat deze eigenschappen aanwezig kunnen zijn in veel materialen die zijn samengesteld uit dimeren, een chemische structuur waarin twee gelijkaardige massa's met elkaar verbonden zijn door een starre, bijna onrekbare band. Dimeren vormen de bouwstenen van veel cellulaire componenten en het lijkt er dus op dat het op deze manier opslaan van energie een strategie is die verschillende cellen dagelijks gebruiken in veel levende organismen, " merkt Camelia Prodan op, universitair hoofddocent natuurkunde aan het NJIT en auteur van het artikel.

"Dit onderzoek kan worden gebruikt om celgedrag te verklaren dat nog niet volledig is begrepen, " zij voegt toe.

Het artikel komt voort uit onderzoek gefinancierd door een subsidie ​​van $ 1 miljoen van de W.M. Keck Foundation heeft vorig jaar aan Prodan en haar medewerker, Emil Prodan, hoogleraar natuurkunde aan de Yeshiva University, om de rol van topologische fononranden in het functioneren van microtubuli te onderzoeken - het skeletmateriaal in eukaryote cellen. Phonon-randen zijn quanta van geluids- of trillingsenergie die beperkt zijn tot de rand of het oppervlak van een materiaal.

De Prodans zijn vooral geïnteresseerd in hoe microtubuli energie aan hun rand opslaan die zich niet voortplant in hun cilindervormige lichaam. Majorana-randmodi zijn het equivalent van een type subatomair deeltje - Majorana-fermionen - dat in sommige soorten supergeleiders voorkomt. Het zijn de energetische trillingen die verschijnen aan de rand van een materiaal dat niet kan worden vernietigd door de omgeving of door het breken van het materiaal.

Ze onderzoeken het potentieel om nieuwe materialen te ontwikkelen met nieuwe fysische eigenschappen op basis van topologische fonon-randmodi.

"Uiteindelijk, we willen materialen maken die deze eigenschap nabootsen - het vermogen om energie tot een rand te beperken - om de aardbevingsbestendigheid in gebouwen of de bescherming van kogelvrije vesten te verbeteren, bijvoorbeeld, " zegt ze. "We denken ook dat deze eigenschap de sleutel kan zijn tot een nieuwe generatie antikankermiddelen, vanwege de rol die topologische fononen kunnen spelen bij celdeling. Microtubuli moeten uit elkaar vallen voordat een cel zich kan delen. Chemotherapie werkt momenteel door te voorkomen dat cellen zich delen, maar terugkerende kankers vinden een manier om deze afweer te verzwakken."

Werken met nanotechnologie-experts bij NJIT, Reginald Farrow, onderzoekshoogleraar natuurkunde, en Alokik Kanwal, assistent onderzoeksprofessor, ze hopen de eerste experimentele verificatie te bieden van de sleutelrol die deze topologische fononen spelen in veel fundamentele cellulaire processen, inclusief celdeling en beweging.

In aanvulling, op basis van de resultaten van hun onderzoek naar microtubuli en topologische fonon-randmodi, het onderzoeksteam zal proberen een nieuwe klasse materialen te voorspellen en te fabriceren, topologische fononische kristallen genaamd, met toepassingen variërend van energiezuinige zonnecellen, om geluiddempend en versterkend te klinken, naar isolatie.