Ett team av ryska, Tjeckiska och tyska forskare har fått ett nytt perspektiv på egenskaperna hos tre material av biologiskt ursprung. Förutom två referensmaterial med väl studerade egenskaper-serumalbumin och cytokrom C-tittade forskarna på den extracellulära matrisen av Shewanella oneidensis MR-1-bakterien, som används i biobränsleceller. Teamet mätte materialens dynamiska konduktivitet och dielektriska permittivitet i ett brett spektrum av frekvenser och temperaturer. För att tolka deras resultat, forskarna använde teoretiska tillvägagångssätt och begrepp från kondenserad fysik. Papperet som beskriver studien publicerades i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

"Än så länge, formalismen i kondensmaterialets fysik har endast funnits begränsad användning inom klassisk biokemi och biofysik. Som ett resultat, vissa intressanta effekter undviker vår uppmärksamhet, "säger Konstantin Motovilov, en senior forskare vid Laboratory of Terahertz Spectroscopy vid Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT). "När vi använder detta språk, vi förvärvar nya sätt att modellera observerade fenomen och beskriva biologiska strukturer. I vårt papper, vi karakteriserar beteendet hos proteiner, betraktas som klassiska amorfa halvledare, med hjälp av formalismen i kondenserad fysik. "

Innan vi diskuterar studien, här är ett snabbt exempel på hur solid-state fysik förklarar de elektriska egenskaperna hos olika material.

Det finns faktiskt flera mekanismer för elektrisk konduktivitet. För varje, det finns en motsvarande teori som beskriver egenskaperna hos vissa material. Till exempel, konduktiviteten i metaller förklaras tillräckligt av Drude -teorin. I teorin, det finns ingen interaktion mellan ledningselektronerna, som antas endast ibland kollidera med kristallgitter, föroreningar, och defekter. Elektrisk konduktivitet är inversen av elektrisk resistivitet. Konduktivitet indikerar hur lätt det är för en elektrisk ström att passera genom ett givet material. Inom Drude -modellen, denna egenskap beror inte starkt på frekvens upp till frekvensen av kollisioner mellan laddningsbärare och gitter eller föroreningar. Dock, det finns en stor grupp ledande material som inte passar denna beskrivning. Ändå är deras beteende i ett externt elektromagnetiskt fält ganska intressant. Bland dem finns glasögon, joniska ledare, och amorfa halvledare.

För att kvalitativt beskriva de elektriska egenskaperna hos sådana material, en annan teori föreslogs för ungefär 40 år sedan av Andrzej Karol Jonscher, en engelsk fysiker. Enligt hans teori, laddningsbärare - elektroner, till exempel - kan betraktas som fritt vid rumstemperatur, förutsatt att växelströmsfrekvensen inte överstiger flera megahertz. Under dessa omständigheter, Drude -modellen är tillämplig och konduktiviteten är nästan konstant, d.v.s. det beror inte på frekvensen av det externa fältet. Om, dock, frekvensen är högre, denna beskrivning är inte längre giltig och det finns en ökning av konduktiviteten proportionell mot en viss effekt - som är nära 0,8 - frekvens. Samma effekt observeras för material som gradvis kyls, även om frekvensen hålls konstant.

Intressant, olika material uppvisar ganska liknande beteende i det avseendet. Dessutom, om du gör om beroendena - säg, prata om förhållandet mellan likström (statisk) konduktivitet och växelströmskonduktivitet, i motsats till konduktivitet som sådan - förhållandena för alla material visar sig vara identiska, avslöjar det så kallade Universal Dielectric Response (UDR). Detta märkliga fenomen undersöktes noggrant i en studie som undersökte ledningen i glasögon och andra amorfa material, ger ny inblick i deras struktur och egenskaper.

Författarna till tidningen visade att Jonschers lag för konduktivitet gäller tre organiska material. Bland dem, två är välkända referensproteiner:bovint serumalbumin och cytokrom C. fysisk, och kemiska egenskaper har undersökts i detalj, så forskarna använde dem som referensmaterial.

Dessutom, de undersökte den extracellulära matrisen och filamenten (EMF) av Shewanella oneidensis MR-1-bakterien, som kan producera elektricitet i biologiska bränsleceller. S. oneidensis har använts i många studier med fokus på alternativa energikällor, så dess elektriska egenskaper är av intresse för både forskare och ingenjörer. År 2010, ett team av forskare baserade i USA och Kanada visade att bakteriens extracellulära bilagor beter sig mycket som halvledare av p-typ. De elektriska egenskaperna hos S. oneidensis MR-1 har dock inte studerats i detalj. Den nyligen publicerade tidningen är ett försök att åtgärda det.

Författarna mätte materialets konduktivitet, liksom energiförlusterna i ett frekvensområde från 1 hertz till 1,5 terahertz, eller biljoner hertz, för temperaturer från -260 till 40 grader Celsius. (Strängt talat, energiförlusterna ges av den imaginära delen av den komplexa dielektriska permittiviteten.) Därefter, forskarna mätte EMF:s likströmskonduktivitet för temperaturer från noll till 40 C, liksom temperaturberoende av deras värmekapacitet. För vart och ett av de tre materialen, vattenhalt och jonkoncentration bestämdes också.

Att göra detta, forskarna pressade ämnena i pellets med en 1 centimeters form. De applicerade sedan elektroder på pelletsytorna för att passera växelström genom dem för att mäta den elektriska konduktiviteten och dielektriska permittiviteten för materialen i området 1-300 miljoner hertz. För högre frekvenser, detta tillvägagångssätt fungerar inte, så för 30-1, 500 gigahertz, eller miljarder hertz, räckvidd, laget erhöll spektra av komplex dielektrisk permittivitet med hjälp av kvasioptisk terahertz -spektroskopi. Inga mätningar gjordes i mellanfrekvensområdet.

Det visade sig att vid rumstemperatur, EMF -konduktivitet är nästan konstant, och när frekvensen ökas över flera miljoner hertz, eller flera megahertz, konduktiviteten är proportionell mot en viss effekt - som är nära 1 - av frekvensen. Cytokrom C uppvisade inte sådant beteende om inte frekvensen var låg och temperaturen hög. När det gäller albumin, det observerades inte alls. Detta tyder på att olika konduktivitetsmekanismer spelar in i dessa material. Det är troligt att EMF har nästan gratis laddningar vid rumstemperatur - precis som i Drude -modellen - medan albumin inte har dem och cytokrom C är en blandad påse.

Beroendet som forskarna observerar kan förklaras i termer av materialens individuella egenskaper. Både cytokrom C och albumin är vanliga proteiner. Även om dessa material har några gratisavgifter, dessa är inte så många som det skulle vara nödvändigt för att motivera Drude -modellen. Att jämföra konduktiviteten i EMF med den i metaller (ledare) är mer realistiskt, eftersom fria laddningar lättare genereras i dessa molekyler. Dock, en jämförelse ännu mer giltig skulle vara att med en lösning av bordsalt, som har en hög koncentration av fria joner.

Naturligtvis, en fullständig beskrivning är mer komplex och skulle kräva att vi tar hänsyn till materialinnehållet i material och andra faktorer. Till exempel, eftersom EMF innehåller betydande mängder löst bundet vatten, dess konduktivitet växer kvadratiskt vid temperaturer på cirka -250 C och frekvenser i storleksordningen 100 miljarder hertz (sub -terahertz terahertz -område). Låga temperaturer gör att massvattnet i materialet fryser, och höga frekvenser innebär att de dielektriska egenskaperna som följer av vattendipols dynamik blir obetydliga. De andra materialen, för, uppvisar avvikelser från Jonschers förutsägelser, men de är inte lika dramatiska.

Författarna har därmed tydligt visat att den kraftfulla metodiken och instrumenteringen av kondenserad fysik är effektiv för grundläggande forskning om biologiska föremåls elektrodynamik. Nästa steg kan innebära tillämpning på biomaterialforskning av det stora utbudet av andra teorier och modeller som har använts effektivt av fysikgemenskapen i många decennier.