Een team van Russische, Tsjechische en Duitse onderzoekers hebben een nieuw perspectief gekregen op de eigenschappen van drie materialen van biologische oorsprong. Naast twee referentiematerialen met goed bestudeerde eigenschappen - serumalbumine en cytochroom C - keken de onderzoekers naar de extracellulaire matrix van de Shewanella oneidensis MR-1-bacterie, dat wordt gebruikt in biobrandstofcellen. Het team heeft de dynamische geleidbaarheid en diëlektrische permittiviteit van de materialen gemeten in een breed scala aan frequenties en temperaturen. Om hun bevindingen te interpreteren, de onderzoekers gebruikten theoretische benaderingen en concepten uit de fysica van de gecondenseerde materie. Het artikel waarin de studie wordt beschreven, is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

"Tot dusver, het formalisme van de fysica van de gecondenseerde materie heeft slechts beperkt gebruik gevonden in de klassieke biochemie en biofysica. Als resultaat, bepaalde interessante effecten ontsnappen aan onze aandacht, " zegt Konstantin Motovilov, een senior onderzoeker aan het Laboratorium voor Terahertz-spectroscopie aan het Moscow Insititute of Physics and Technology (MIPT). "Als we deze taal gebruiken, we verwerven nieuwe manieren om waargenomen fenomenen te modelleren en biologische structuren te beschrijven. In onze krant, we karakteriseren het gedrag van eiwitten, beschouwd als klassieke amorfe halfgeleiders, met behulp van het formalisme van de fysica van de gecondenseerde materie."

Alvorens de studie te bespreken, hier is een snel voorbeeld van hoe de vastestoffysica de elektrische eigenschappen van verschillende materialen verklaart.

Er zijn in feite meerdere mechanismen van elektrische geleidbaarheid. Voor elk, er is een overeenkomstige theorie die de eigenschappen van bepaalde materialen beschrijft. Bijvoorbeeld, de geleidbaarheid in metalen wordt adequaat verklaard door de Drude-theorie. In de theorie, er is geen interactie tussen de geleidingselektronen, waarvan wordt aangenomen dat ze slechts af en toe botsen met kristalrooster, onzuiverheden, en gebreken. Elektrische geleidbaarheid is het omgekeerde van elektrische weerstand. Geleidbaarheid geeft aan hoe gemakkelijk het is voor een elektrische stroom om door een bepaald materiaal te gaan. Binnen het Drude-model, deze eigenschap is niet sterk afhankelijk van de frequentie tot aan de frequentie van de botsingen tussen ladingsdragers en rooster of onzuiverheden. Echter, er is een grote groep geleidende materialen die niet aan deze omschrijving voldoen. Toch is hun gedrag in een extern elektromagnetisch veld best interessant. Onder hen zijn glazen, ionische geleiders, en amorfe halfgeleiders.

Om de elektrische eigenschappen van dergelijke materialen kwalitatief te beschrijven, een andere theorie werd ongeveer 40 jaar geleden voorgesteld door Andrzej Karol Jonscher, een Engelse natuurkundige. Volgens zijn theorie ladingsdragers - elektronen, bijvoorbeeld - kan bij kamertemperatuur voldoende als vrij worden beschouwd, op voorwaarde dat de wisselstroomfrequentie enkele megahertz niet overschrijdt. Onder deze voorwaarden, het Drude-model is van toepassing en de geleidbaarheid is bijna constant, d.w.z., het hangt niet af van de frequentie van het externe veld. Indien, echter, de frequentie is hoger, deze beschrijving is niet langer geldig en er is een toename van de geleidbaarheid evenredig met een bepaald vermogen - dat dicht bij 0,8 ligt - van de frequentie. Hetzelfde effect wordt waargenomen voor materialen die geleidelijk worden afgekoeld, zelfs als de frequentie constant wordt gehouden.

interessant, verschillende materialen vertonen in dat opzicht vrij gelijkaardig gedrag. Bovendien, als je de afhankelijkheden herhaalt - zeg, praten over de verhouding tussen gelijkstroom (statische) geleidbaarheid en wisselstroom geleidbaarheid, in tegenstelling tot geleidbaarheid als zodanig - de relaties voor alle materialen blijken identiek te zijn, het onthullen van de zogenaamde universele diëlektrische respons (UDR). Dit merkwaardige fenomeen werd grondig onderzocht in een studie die de geleiding in glazen en andere amorfe materialen onderzocht, nieuwe inzichten bieden in hun structuur en eigenschappen.

De auteurs van het artikel toonden aan dat de wet van Jonscher voor geleidbaarheid van toepassing is op drie organische materialen. Onder hen, twee zijn bekende referentie-eiwitten:runderserumalbumine en runderhartcytochroom C. Hun structurele, fysiek, en chemische eigenschappen zijn in detail onderzocht, dus gebruikten de onderzoekers ze als referentiemateriaal.

In aanvulling, ze onderzochten de extracellulaire matrix en filamenten (EMF) van de Shewanella oneidensis MR-1-bacterie, die elektriciteit kunnen produceren in biologische brandstofcellen. S. oneidensis is in veel onderzoeken gebruikt met een focus op alternatieve energiebronnen, dus zijn elektrische eigenschappen zijn van belang voor zowel onderzoekers als ingenieurs. In 2010, een team van onderzoekers in de Verenigde Staten en Canada toonde aan dat de extracellulaire aanhangsels van de bacterie zich gedragen als p-type halfgeleiders. De elektrische eigenschappen van S. oneidensis MR-1 zijn echter niet in detail bestudeerd. Het onlangs gepubliceerde artikel is een poging om dat te verhelpen.

De auteurs maten de geleidbaarheid van de materialen, evenals de energieverliezen in een frequentiebereik van 1 hertz tot 1,5 terahertz, of biljoen hertz, voor temperaturen van -260 tot 40 graden Celsius. (Strikt gesproken, de energieverliezen worden gegeven door het denkbeeldige deel van de complexe diëlektrische permittiviteit.) Vervolgens, de onderzoekers maten de gelijkstroomgeleiding van EMF voor temperaturen van nul tot 40 C, evenals de temperatuurafhankelijkheid van hun warmtecapaciteit. Voor elk van de drie materialen watergehalte en ionenconcentratie werden ook bepaald.

Om dit te doen, de onderzoekers persten de stoffen tot korrels met behulp van een mal van 1 centimeter. Vervolgens brachten ze elektroden op de vlakken van de pellets aan om er wisselstroom doorheen te laten gaan om de elektrische geleidbaarheid en diëlektrische permittiviteit van de materialen in het bereik van 1-300 miljoen hertz te meten. Voor hogere frequenties, deze aanpak werkt niet, dus voor de 30-1, 500 gigahertz, of miljard hertz, bereik, het team verkreeg de spectra van complexe diëlektrische permittiviteit met behulp van quasi-optische terahertz-spectroscopie. In het middenfrequentiebereik zijn geen metingen gedaan.

Het bleek dat bij kamertemperatuur, EMF geleidbaarheid is bijna constant, en wanneer de frequentie wordt verhoogd tot boven enkele miljoenen hertz, of meerdere megahertz, de geleidbaarheid is evenredig met een bepaald vermogen - dat dicht bij 1 ligt - van de frequentie. Cytochroom C vertoonde een dergelijk gedrag niet tenzij de frequentie laag was en de temperatuur hoog. In het geval van albumine, het werd helemaal niet waargenomen. Dit suggereert dat er in deze materialen verschillende geleidbaarheidsmechanismen spelen. Het is waarschijnlijk dat EMF bijna gratis wordt opgeladen bij kamertemperatuur - net als in het Drude-model - terwijl albumine ze niet heeft en cytochroom C een allegaartje is.

De door de onderzoekers waargenomen afhankelijkheid kan worden verklaard aan de hand van de individuele eigenschappen van de materialen. Zowel cytochroom C als albumine zijn reguliere eiwitten. Hoewel deze materialen enige gratis kosten hebben, dit zijn er lang niet zoveel als nodig zouden zijn om het Drude-model te rechtvaardigen. Het vergelijken van de geleidbaarheid in EMF met die in metalen (geleiders) is realistischer, omdat in deze moleculen gemakkelijker vrije ladingen worden gegenereerd. Echter, een nog meer valide vergelijking zou zijn die met een oplossing van keukenzout, die een hoge concentratie aan vrije ionen heeft.

Van nature, een volledige beschrijving is complexer en vereist dat we rekening houden met het watergehalte van materialen en andere factoren. Bijvoorbeeld, omdat EMF aanzienlijke hoeveelheden losjes gebonden water bevat, zijn geleidbaarheid groeit kwadratisch bij temperaturen van ongeveer -250 C en frequenties in de orde van 100 miljard hertz (sub-terahertz terahertz-bereik). Bij lage temperaturen bevriest het bulkwater in het materiaal, en hoge frequenties betekenen dat de diëlektrische eigenschappen die het gevolg zijn van waterdipooldynamica niet te verwaarlozen zijn. De andere materialen, te, afwijkingen vertonen van Jonschers voorspellingen, maar ze zijn niet zo dramatisch.

De auteurs hebben dus duidelijk aangetoond dat de krachtige methodologie en instrumentatie van de fysica van de gecondenseerde materie effectief is voor fundamenteel onderzoek naar de elektrodynamica van biologische objecten. De volgende stap zou kunnen zijn de toepassing op biomaterialenonderzoek van het brede scala aan andere theorieën en modellen die al tientallen jaren effectief door de natuurkundige gemeenschap worden gebruikt.