De grens tussen elektronica en biologie vervaagt met de eerste detectie door onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy van ferro-elektrische eigenschappen in een aminozuur dat glycine wordt genoemd.

Een multi-institutioneel onderzoeksteam onder leiding van Andrei Kholkin van de Universiteit van Aveiro, Portugal, een combinatie van experimenten en modellering gebruikt om de aanwezigheid van ferro-elektriciteit te identificeren en te verklaren, een eigenschap waarbij materialen van polarisatie veranderen wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, in het eenvoudigste bekende aminozuur - glycine.

"De ontdekking van ferro-elektriciteit opent nieuwe wegen naar nieuwe klassen van bio-elektronische logica en geheugenapparaten, waar polarisatieomschakeling wordt gebruikt om informatie op te nemen en op te halen in de vorm van ferro-elektrische domeinen, " zei co-auteur en senior wetenschapper bij ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) Sergei Kalinin.

Hoewel bekend is dat bepaalde biologische moleculen zoals glycine piëzo-elektrisch zijn, een fenomeen waarbij materialen op druk reageren door elektriciteit te produceren, ferro-elektriciteit is relatief zeldzaam in het rijk van de biologie. Dus, wetenschappers zijn nog steeds onduidelijk over de mogelijke toepassingen van ferro-elektrische biomaterialen.

"Dit onderzoek helpt de weg vrij te maken voor het bouwen van geheugenapparaten gemaakt van moleculen die al in ons lichaam bestaan, ' zei Kolkin.

Bijvoorbeeld, door gebruik te maken van de mogelijkheid om polarisatie te veranderen door kleine elektrische velden, kunnen nanorobots worden gebouwd die door menselijk bloed kunnen zwemmen. Kalinin waarschuwt dat dergelijke nanotechnologie nog ver in de toekomst ligt.

"Het is duidelijk dat er een lange weg is van het bestuderen van elektromechanische koppeling op moleculair niveau tot het maken van een nanomotor die door bloed kan stromen, "Zei Kalinin. "Maar tenzij je een manier hebt om deze motor te maken en te bestuderen, er zullen geen tweede en derde stappen zijn. Onze methode kan een optie bieden voor kwantitatieve en reproduceerbare studie van deze elektromechanische conversie."

De studie, gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , bouwt voort op eerder onderzoek bij ORNL's CNMS, waar Kalinin en anderen nieuwe instrumenten ontwikkelen, zoals de piëzoresponskrachtmicroscopie die wordt gebruikt in de experimentele studie van glycine.

"Het blijkt dat piëzoresponskracht-microsopie perfect geschikt is om de fijne details in biologische systemen op nanoschaal te observeren, " zei Kalinin. "Met dit type microscopie, je krijgt de mogelijkheid om elektromechanische beweging te bestuderen op het niveau van een enkel molecuul of een klein aantal moleculaire assemblages. Deze schaal is precies waar interessante dingen kunnen gebeuren."

Kholkins laboratorium kweekte de kristallijne monsters van glycine die werden bestudeerd door zijn team en door de ORNL-microscopiegroep. Naast de experimentele metingen, de theoretici van het team hebben de ferro-elektriciteit geverifieerd met moleculaire dynamische simulaties die de mechanismen achter het waargenomen gedrag verklaarden.