Een onderzoeksteam van de Universiteit van Tsukuba gebruikt terahertz-frequentielicht om het ongewone gedrag van ongeordende systemen te onderzoeken om te ontdekken dat de anoniem grote trillingen in lysozyme kunnen worden verklaard door zijn glasachtige en fractale aard

Tsukuba, Japan - Onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Tsukuba bestudeerden de vibratiemodi van een intrinsiek ongeordend eiwit om de abnormaal sterke respons bij lage frequenties te begrijpen. Dit werk kan leiden tot verbeteringen in onze kennis van materialen die geen orde op lange termijn hebben, die de industriële glasproductie kunnen beïnvloeden.

Glasachtige materialen hebben veel verrassende eigenschappen. Niet helemaal vast of vloeibaar, glazen zijn gemaakt van atomen die zijn bevroren in een ongeordende, niet-kristallijne toestand. Ruim een ​​eeuw geleden, natuurkundige Peter Debye stelde een formule voor om de mogelijke trillingsmodi van vaste stoffen te begrijpen. Hoewel meestal succesvol, deze theorie verklaart niet de verrassend universele trillingen die kunnen worden opgewekt in ongeordende materialen - zoals glas - door elektromagnetische straling in het terahertz-bereik. Deze afwijking is vaak genoeg gezien om een ​​eigen naam te krijgen, de "bosonpiek, " maar de oorsprong blijft onduidelijk.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba hebben een reeks experimenten uitgevoerd om de fysica achter de bosonpiek te onderzoeken met behulp van het eiwit lysozyme.

"Dit eiwit heeft een intrinsiek ongeordende en fractale structuur, "De eerste auteur van de studie, professor Tatsuya Mori, zegt. "Wij geloven dat het zinvol is om het hele systeem als een enkel supramolecuul te beschouwen."

fractalen, dat zijn wiskundige structuren die zelfgelijkenis vertonen over een breed scala van schalen, komen veel voor in de natuur. Denk aan bomen:ze lijken op elkaar, of je nu uitzoomt om naar de takken te kijken, evenals wanneer u in de buurt komt om de twijgen te inspecteren. Fractals hebben het verrassende vermogen om te worden beschreven door een niet-geheel aantal dimensies. Dat is, een object met een fractale dimensie van 1,5 ligt halverwege tussen een tweedimensionaal en een driedimensionaal object, wat betekent dat zijn massa met zijn grootte toeneemt tot de macht 1,5.

Op basis van de resultaten van terahertz-spectroscopie, de massafractale dimensie van de lysozymmoleculen bleek ongeveer 2,75 te zijn. Er werd ook bepaald dat deze waarde gerelateerd was aan de absorptiecoëfficiënt van het materiaal.

"De bevindingen suggereren dat de fractale eigenschappen afkomstig zijn van de zelfovereenkomst van de structuur van de aminozuren van de lysozyme-eiwitten, Professor Mori zegt. "Dit onderzoek kan de sleutel zijn tot het oplossen van een al lang bestaande puzzel met betrekking tot ongeordende en fractale materialen, wat kan leiden tot een efficiëntere productie van glas- of fractale structuren."

Het werk is gepubliceerd in Fysieke beoordeling E als "Detectie van bosonpiek en fractale dynamiek van ongeordende systemen met behulp van terahertz-spectroscopie."