En forskargrupp från University of Tsukuba använder terahertz-frekvensljus för att undersöka det ovanliga beteendet hos störda system för att upptäcka att de anonymt stora vibrationerna i lysozym kan förklaras av dess glasartade och fraktala natur

Tsukuba, Japan – Forskare under ledning av University of Tsukuba studerade vibrationssätten hos ett i sig oordnat protein för att förstå dess onormalt starka respons vid låga frekvenser. Detta arbete kan leda till förbättringar i vår kunskap om material som saknar ordning på lång räckvidd, som kan påverka industriell glastillverkning.

Glasartade material har många överraskande egenskaper. Inte riktigt fast eller vätska, glasögon är gjorda av atomer som är frusna i en oordnad, icke-kristallint tillstånd. För över ett sekel sedan, fysikern Peter Debye föreslog en formel för att förstå de möjliga vibrationssätten för fasta ämnen. Även om det mestadels är framgångsrikt, denna teori förklarar inte de överraskande universella vibrationerna som kan exciteras i oordnade material – som glas – av elektromagnetisk strålning i terahertzområdet. Denna avvikelse har setts tillräckligt ofta för att få sitt eget namn, "bosontoppen, " men dess ursprung är fortfarande oklart.

Nu, forskare vid University of Tsukuba har genomfört en serie experiment för att undersöka fysiken bakom bosontoppen med hjälp av proteinet lysozym.

"Detta protein har en i sig oordnad och fraktal struktur, " Första författaren till studien säger professor Tatsuya Mori. "Vi anser att det är vettigt att betrakta hela systemet som en enda supramolekyl."

fraktaler, som är matematiska strukturer som uppvisar självlikhet över ett brett spektrum av skalor, är vanliga i naturen. Tänk på träd:de ser likadana ut oavsett om du zoomar ut för att titta på grenarna, samt när man kommer nära för att inspektera kvistarna. Fraktaler har den överraskande förmågan att beskrivas med ett icke-heltals antal dimensioner. Det är, ett föremål med en fraktal dimension på 1,5 är halvvägs mellan ett tvådimensionellt och ett tredimensionellt föremål, vilket innebär att dess massa ökar med storleken till 1,5-potensen.

På grundval av resultaten av terahertz-spektroskopi, den massfraktala dimensionen för lysozymmolekylerna befanns vara omkring 2,75. Detta värde bestämdes också vara relaterat till materialets absorptionskoefficient.

"Fynden tyder på att fraktalegenskaperna härrör från självlikheten i strukturen hos aminosyrorna i lysozymproteinerna, " Professor Mori säger. "Denna forskning kan innehålla nyckeln till att lösa ett långvarigt pussel angående oordnade och fraktala material, vilket kan leda till mer effektiv produktion av glas- eller fraktalstrukturer."

Verket publiceras i Fysisk granskning E som "Detektion av bosontopp och fraktal dynamik i störda system med hjälp av terahertz-spektroskopi."