En lite förstådd biologisk egenskap som verkar låta cellkomponenter lagra energi på sina ytterkanter är den möjliga nyckeln till att utveckla en ny klass av material och enheter att samla in, lagra och hantera energi för en mängd olika applikationer, ett team av forskare vid New Jersey Institute of Technology (NJIT) och Yeshiva University har föreslagit.

I en artikel publicerad förra veckan i Naturkommunikation , "Dynamiska Majorana kantlägen i en bred klass av topologiska mekaniska system, "forskarna rapporterar upptäckten av en stor klass av material med sådana möjligheter.

"Anmärkningsvärt, vi tror att dessa egenskaper kan finnas i många material bestående av dimerer, en kemisk struktur där två liknande massor är kopplade till varandra genom en stel, nästan osträckbart band. Dimers utgör byggstenarna för många cellulära komponenter och så verkar det som att lagring av energi på detta sätt är en strategi som en mängd olika celler använder dagligen i många levande organismer, "konstaterar Camelia Prodan, docent i fysik vid NJIT och författare till tidningen.

"Denna forskning kan användas för att förklara cellbeteende som ännu inte är helt förstått, "tillägger hon.

Tidningen härrör från forskning som finansieras med ett bidrag på 1 miljon dollar från W.M. Keck Foundation tilldelades förra året till Prodan och hennes samarbetspartner, Emil Prodan, professor i fysik vid Yeshiva University, att undersöka rollen som topologiska fononkanter i funktionen av mikrotubuli - skelettmaterialet i eukaryota celler. Fononkanter är kvantiteter av ljud eller vibrationsenergi begränsad till kanten eller ytan av ett material.

Prodans är särskilt intresserade av hur mikrotubuli lagrar energi vid kanten som inte sprids i deras cylinderformade kroppar. Majorana kantlägen motsvarar en typ av subatomära partiklar - Majorana fermioner - som förekommer i vissa typer av superledare. De är de energiska vibrationerna som uppträder vid kanten av ett material som inte kan förstöras av miljön eller av att materialet bryts.

De undersöker potentialen att konstruera nya material med nya fysiska egenskaper baserat på topologiska fononkantlägen.

"I sista hand, vi skulle vilja skapa material som efterliknar den här egenskapen - förmågan att begränsa energi till en kant - för att öka jordbävningsmotståndet i byggnader eller skyddet av skottsäkra västar, till exempel, "säger hon." Vi tror också att den här egenskapen kan vara nyckeln till en ny generation av cancerläkemedel, på grund av den roll topologiska fononer kan spela vid celldelning. Mikrotubuli måste falla isär innan en cell kan dela sig. Kemoterapi fungerar för närvarande genom att förhindra att celler delar sig, men återkommande cancerformer hittar ett sätt att försvaga dessa försvar. "

Arbetar med nanoteknik experter på NJIT, Reginald Farrow, forskningsprofessor i fysik, och Alokik Kanwal, biträdande forskningsprofessor, de hoppas kunna tillhandahålla den första experimentella verifieringen av nyckelrollen som dessa topologiska fononer spelar i många grundläggande cellulära processer, inklusive celldelning och rörelse.

Dessutom, baserat på resultaten av deras studie av mikrotubuli och topologiska fononkantlägen, forskargruppen kommer att försöka förutsäga och tillverka en ny klass av material som kallas topologiska fononiska kristaller, med applikationer som sträcker sig från energieffektiva solceller, att låta döende och förstärka, till isolering.