Många peptider och proteiner har en medfödd förmåga att samlas till långa, smala fibrer som kallas fibriller och andra former. Nu, forskare har hittat ett sätt att utnyttja denna egenskap för att skapa rörformiga strukturer av difenylalanin som har förmågan att omvandla termisk energi till elektrisk energi, även kallad en pyroelektrisk effekt. Deras resultat, publiceras denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik , rapportera att dessa polymerer i nanoskala, som är biokompatibla, kan ha ett brett utbud av biologiska applikationer som för läkemedelstillförselställningar eller implanterbara miniatyrsensorer.

Teamet av forskare från Istanbul Technical University i Turkiet, universitetet i Aveiro i Portugal, och Ural Federal University i Ryssland förlitade sig på difenylalanin, ett material de tidigare har studerat för dess unika elektromekaniska och fysikaliska egenskaper. När droppar av en lösning av difenylalanin torkas, peptidmonomerer bildar långsträckta ihåliga rör som strukturellt liknar de olösliga fibrerna som bildas av Aβ-amyloidpeptid vid Alzheimers sjukdom.

"Difenylalanin är ett av de första självmonterande organiska materialen som kan användas för att göra mikroskopiska rör, stavar, band, sfärer och mer, sa Andrei Kholkin, motsvarande författare på studien. "I närvaro av vatten, dess kemiska grupper självorganiserar sig för att skapa icke-kovalenta bindningar och bildar otroligt stela, cytoskelettliknande strukturer."

Teamet av utredare torkade en standard peptidlösning under en dag vid rumstemperatur för att tillåta difenylalanin att samlas i mikrorörstrukturer, med individuella rör upp till 1 millimeter långa och 1-3 mikrometer breda i diameter. För att öka strömmen som produceras av strukturerna, gruppen skapade buntar av flera mikrorör och placerade dem mellan nålelektroder för att mäta strukturernas egenskaper.

De värmde upp strukturerna med jämna mellanrum med en laser, ändrade temperaturen till cirka 80 grader C och beräknade sedan den pyroelektriska koefficienten, som är ett mått på hur effektivt ett material kan omvandla värme till elektrisk energi. Även om mikrorörens pyroelektriska kapacitet ursprungligen var föränderlig - när de väl uppvärmdes och kyldes, koefficienten minskade med ~30 procent – ​​de förblev stabila efter den första uppvärmningen. Förändringen kan bero på att uppvärmning gjorde att vattenmolekylerna i de ihåliga rören blev oordnade, föreslår författarna.

"Detta är den första observationen av en betydande pyroelektrisk effekt i peptidmikrorör som liknar det som ses med halvledarmaterial som zinkoxid eller aluminiumnitrid, " sa Kholkin. "I princip, våra peptidnanorör kan användas på samma sätt som dessa material för olika tillämpningar."

I tidigare studier, gruppen har visat att dessa nanorör har piezoelektriska effekter – det vill säga, de omvandlar mekaniska krafter till elektriska signaler – och kan användas som sensorer för pacemakers eller andra småskaliga elektroniska enheter.

De nyupptäckta pyroelektriska egenskaperna kommer att bredda den potentiella användningen av difenylalanin mikrorör, enligt Kholkin. Till exempel, strukturerna skulle kunna användas för att skapa småskaliga värmeenergiskördare, som kan avlägsna energi som går förlorad i mikroelektroniska enheter. Dessutom, deras pyroelektriska egenskaper kan användas för att konstruera termometrar i mikroskala och nanoskala som känner av temperaturvariationer, snarare än en cells absoluta temperatur.

"Eftersom dessa rör kan generera elektricitet under temperatur- och rörelseförändringar, de kan användas för att stimulera och övervaka levande celler, sa Kholkin.