Gränsen mellan elektronik och biologi suddas ut med den första upptäckten av ferroelektriska egenskaper i en aminosyra som kallas glycin av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

En multiinstitutionell forskargrupp ledd av Andrei Kholkin från University of Aveiro, Portugal, använde en kombination av experiment och modellering för att identifiera och förklara förekomsten av ferroelektricitet, en egenskap där material byter polarisering när ett elektriskt fält appliceras, i den enklaste kända aminosyran — glycin.

"Upptäckten av ferroelektricitet öppnar nya vägar till nya klasser av bioelektronisk logik och minnesenheter, där polarisationsväxling används för att registrera och hämta information i form av ferroelektriska domäner, " sa medförfattare och senior forskare vid ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) Sergei Kalinin.

Även om vissa biologiska molekyler som glycin är kända för att vara piezoelektriska, ett fenomen där material reagerar på tryck genom att producera elektricitet, ferroelektricitet är relativt sällsynt inom biologin. Således, forskare är fortfarande oklara om de potentiella tillämpningarna av ferroelektriska biomaterial.

"Denna forskning hjälper till att bana väg mot att bygga minnesenheter gjorda av molekyler som redan finns i våra kroppar, sa Kholkin.

Till exempel, Att använda sig av möjligheten att byta polarisering genom små elektriska fält kan hjälpa till att bygga nanorobotar som kan simma genom mänskligt blod. Kalinin varnar för att sådan nanoteknik fortfarande ligger långt fram i tiden.

"Det är klart att det är en mycket lång väg från att studera elektromekanisk koppling på molekylär nivå till att skapa en nanomotor som kan flöda genom blod, " sa Kalinin. "Men om du inte har ett sätt att göra den här motorn och studera den, det kommer inte att finnas några andra och tredje steg. Vår metod kan erbjuda ett alternativ för kvantitativa och reproducerbara studier av denna elektromekaniska omvandling."

Studien, publiceras i Avancerade funktionella material , bygger på tidigare forskning vid ORNL:s CNMS, där Kalinin och andra utvecklar nya verktyg som piezoresponskraftmikroskopin som används i den experimentella studien av glycin.

"Det visar sig att piezoresponskraftmikroskopi är perfekt lämpad för att observera de fina detaljerna i biologiska system på nanoskala, " sa Kalinin. "Med den här typen av mikroskopi, du får förmågan att studera elektromekanisk rörelse på nivån av en enskild molekyl eller ett litet antal molekylära sammansättningar. Den här skalan är precis där intressanta saker kan hända."

Kholkins labb odlade de kristallina proverna av glycin som studerades av hans team och av ORNL-mikroskopigruppen. Förutom de experimentella mätningarna, teamets teoretiker verifierade ferroelektriciteten med simuleringar av molekylär dynamik som förklarade mekanismerna bakom det observerade beteendet.