Solid-state fysik giver indsigt i biomaterialers dielektriske egenskaber

Et hold russere, Tjekkiske og tyske forskere har fået et nyt perspektiv på egenskaberne af tre materialer af biologisk oprindelse. Udover to referencematerialer med velstuderede egenskaber-serumalbumin og cytochrom C-så forskerne på den ekstracellulære matrix af Shewanella oneidensis MR-1-bakterien, som bruges i biobrændselsceller. Holdet målte materialernes dynamiske ledningsevne og dielektriske permittivitet i en lang række frekvenser og temperaturer. For at fortolke deres fund, forskerne brugte teoretiske tilgange og begreber fra kondenseret fysik. Papiret om undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

"Indtil nu, formalismen i kondenseret fysik har kun fundet begrænset anvendelse i klassisk biokemi og biofysik. Som resultat, visse interessante effekter unddrager vores opmærksomhed, "siger Konstantin Motovilov, en senior forsker ved laboratoriet af Terahertz spektroskopi ved Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT). "Når vi gør brug af dette sprog, vi tilegner os nye måder at modellere observerede fænomener og beskrive biologiske strukturer. I vores papir, vi karakteriserer proteiners adfærd, betragtes som klassiske amorfe halvledere, ved hjælp af formalismen i kondenseret fysik. "

Inden undersøgelsen diskuteres, her er et hurtigt eksempel på, hvordan solid-state fysik forklarer de elektriske egenskaber ved forskellige materialer.

Der er faktisk flere mekanismer for elektrisk ledningsevne. For hver, der er en tilsvarende teori, der beskriver egenskaberne af visse materialer. For eksempel, ledningsevnen i metaller forklares tilstrækkeligt af Drude -teorien. I teorien, der er ingen interaktion mellem ledningselektronerne, som antages kun lejlighedsvis at kollidere med krystalgitter, urenheder, og defekter. Elektrisk ledningsevne er omvendt af elektrisk modstand. Ledningsevne angiver, hvor let det er for en elektrisk strøm at passere gennem et givet materiale. Inden for Drude -modellen, denne egenskab afhænger ikke stærkt af frekvens op til hyppigheden af ​​kollisionerne mellem ladningsbærere og gitter eller urenheder. Imidlertid, der er en stor gruppe ledende materialer, der ikke passer til denne beskrivelse. Alligevel er deres adfærd i et eksternt elektromagnetisk felt ganske interessant. Blandt dem er briller, ioniske ledere, og amorfe halvledere.

For kvalitativt at beskrive sådanne materialers elektriske egenskaber, en anden teori blev foreslået for omkring 40 år siden af ​​Andrzej Karol Jonscher, en engelsk fysiker. Ifølge hans teori, ladningsbærere - elektroner, for eksempel - kan tilstrækkeligt betragtes som fri ved stuetemperatur, forudsat at vekselstrømsfrekvensen ikke overstiger flere megahertz. Under disse betingelser, Drude -modellen er anvendelig, og ledningsevnen er næsten konstant, dvs. det afhænger ikke af frekvensen af ​​det eksterne felt. Hvis, imidlertid, hyppigheden er højere, denne beskrivelse er ikke længere gyldig, og der er en stigning i ledningsevnen proportionel med en bestemt effekt - som er tæt på 0,8 - frekvens. Den samme effekt observeres for materialer, der gradvist afkøles, selvom frekvensen holdes konstant.

Interessant nok, forskellige materialer udviser ganske ens adfærd i den henseende. I øvrigt, hvis du gentager afhængighederne - sig f.eks. tale om forholdet mellem jævnstrøm (statisk) ledningsevne og vekselstrømskonduktivitet, i modsætning til ledningsevne som sådan - viser relationerne for alle materialer sig at være identiske, afslører det såkaldte Universal Dielectric Response (UDR). Dette underlige fænomen blev grundigt undersøgt i en undersøgelse, der undersøgte ledningen i glas og andre amorfe materialer, giver ny indsigt i deres struktur og egenskaber.

Forfatterne til papiret viste, at Jonschers lov for konduktivitet gælder for tre organiske materialer. Blandt dem, to er velkendte referenceproteiner:bovint serumalbumin og bovint hjerte-cytochrom C. Deres strukturelle, fysisk, og kemiske egenskaber er blevet undersøgt i detaljer, så forskerne brugte dem som referencematerialer.

Ud over, de undersøgte den ekstracellulære matrix og filamenter (EMF) af Shewanella oneidensis MR-1-bakterien, som kan producere elektricitet i biologiske brændselsceller. S. oneidensis er blevet brugt i mange undersøgelser med fokus på alternative energikilder, så dens elektriske egenskaber er af interesse for både forskere og ingeniører. I 2010, et team af forskere med base i USA og Canada viste, at bakteriens ekstracellulære vedhæng opfører sig meget som p-type halvledere. De elektriske egenskaber ved S. oneidensis MR-1 er ikke desto mindre ikke blevet undersøgt detaljeret. Det nyligt udgivne papir er et forsøg på at afhjælpe det.

Forfatterne målte materialernes ledningsevne, samt energitabet i et frekvensområde fra 1 hertz til 1,5 terahertz, eller billioner hertz, ved temperaturer fra -260 til 40 grader Celsius. (Strengt taget, energitabet er givet af den imaginære del af den komplekse dielektriske permittivitet.) Næste, forskerne målte EMF's jævnstrømsledningsevne ved temperaturer fra nul til 40 C, samt temperaturafhængigheden af ​​deres varmekapacitet. For hvert af de tre materialer, vandindhold og ionkoncentration blev også bestemt.

At gøre dette, forskerne pressede stofferne ned i piller ved hjælp af en 1 centimeter form. Derefter anbragte de elektroder på pillernes overflader for at passere vekselstrøm gennem dem for at måle den elektriske ledningsevne og dielektriske permittivitet af materialerne i området 1-300 millioner hertz. For højere frekvenser, denne fremgangsmåde virker ikke, så for 30-1, 500 gigahertz, eller milliarder hertz, rækkevidde, holdet opnåede spektrene for kompleks dielektrisk permittivitet ved hjælp af kvasioptisk terahertz -spektroskopi. Der blev ikke foretaget målinger i mellemfrekvensområdet.

Det viste sig, at ved stuetemperatur, EMF -ledningsevne er næsten konstant, og når frekvensen øges til flere millioner hertz, eller flere megahertz, ledningsevnen er proportional med en bestemt effekt - som er tæt på 1 - af frekvensen. Cytokrom C udviste ikke sådan adfærd, medmindre hyppigheden var lav og temperaturen høj. I tilfælde af albumin, det blev slet ikke observeret. Dette tyder på, at forskellige ledningsevne -mekanismer spiller ind i disse materialer. Det er sandsynligt, at EMF har næsten gratis ladninger ved stuetemperatur - ligesom i Drude -modellen - hvorimod albumin ikke har dem, og cytokrom C er en blandet pose.

Afhængigheden observeret af forskerne kan forklares ud fra materialernes individuelle egenskaber. Både cytokrom C og albumin er regelmæssige proteiner. Selvom disse materialer har nogle gratis gebyrer, disse er ikke nær så mange, som det ville være nødvendigt at begrunde Drude -modellen. Det er mere realistisk at sammenligne ledningsevnen i EMF med den i metaller (ledere), da gratis ladninger lettere genereres i disse molekyler. Imidlertid, en sammenligning, der er endnu mere gyldig, ville være, at med en opløsning af bordsalt, som har en høj koncentration af frie ioner.

Naturligt, en komplet beskrivelse er mere kompleks og vil kræve, at vi tager højde for materialernes vandindhold og andre faktorer. For eksempel, fordi EMF indeholder betydelige mængder løst bundet vand, dens ledningsevne vokser kvadratisk ved temperaturer på omkring -250 C og frekvenser i størrelsesordenen 100 milliarder hertz (sub -terahertz terahertz -område). Lave temperaturer får massevandet i materialet til at fryse, og høje frekvenser betyder, at de dielektriske egenskaber som følge af vanddipols dynamik bliver ubetydelige. De andre materialer, også, udviser afvigelser fra Jonschers forudsigelser, men de er ikke så dramatiske.

Forfatterne har således klart vist den kraftfulde metode og instrumentering af kondenseret fysik til at være effektiv til grundforskning i biologiske objekters elektrodynamik. Det næste trin kunne involvere anvendelsen til biomaterialeforskning af den brede vifte af andre teorier og modeller, der har været effektivt brugt af fysikmiljøet i mange årtier.