OAK RIDGE, Tenn., 19. april 2012 - Grænsen mellem elektronik og biologi sløres med den første detektion af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory af ferroelektriske egenskaber i en aminosyre kaldet glycin.
Et multi-institutionelt forskerteam ledet af Andrei Kholkin fra University of Aveiro, Portugal, brugte en kombination af eksperimenter og modellering til at identificere og forklare tilstedeværelsen af ferroelektricitet, en egenskab, hvor materialer skifter deres polarisering, når et elektrisk felt anvendes, i enkleste kendte aminosyre - glycin.
”Opdagelsen af ferroelektricitet åbner nye veje til nye klasser af bioelektronisk logik og hukommelsesenheder, hvor polarisationsskift bruges til at registrere og hente information i form af ferroelektriske domæner,” sagde medforfatter og seniorforsker ved ORNLs Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS ) Sergei Kalinin.
ORNL-forskere opdagede for første gang ferroelektriske domæner (set som røde striber) i den enkleste kendte aminosyre - glycin.
Selvom visse biologiske molekyler som glycin vides at være piezoelektriske, et fænomen, hvor materialer reagerer på tryk ved at producere elektricitet, er ferroelektricitet relativt sjældent inden for biologiens område. Forskere er således stadig uklare om de potentielle anvendelser af ferroelektriske biomaterialer.
”Denne forskning hjælper med at bane vejen mod opbygning af hukommelsesenheder lavet af molekyler, der allerede findes i vores kroppe,” sagde Kholkin.
For eksempel kan anvendelse af evnen til at skifte polarisering gennem små elektriske felter hjælpe med at opbygge nanorobots, der kan svømme gennem menneskeblod. Kalinin advarer om, at sådan nanoteknologi stadig er langt i fremtiden.
”Det er klart, at der er en meget lang vej fra at studere elektromekanisk kobling på molekylært niveau til at fremstille en nanomotor, der kan strømme gennem blod,” sagde Kalinin. ”Men medmindre du har en måde at gøre denne motor på og studere den, vil der ikke være andet og tredje trin. Vores metode kan tilbyde en mulighed for kvantitativ og reproducerbar undersøgelse af denne elektromekaniske konvertering. ”
Undersøgelsen, der er offentliggjort i Advanced Functional Materials, bygger på tidligere forskning på ORNLs CNMS, hvor Kalinin og andre udvikler nye værktøjer såsom mikroskopi af piezoresponse-kraft, der blev anvendt i den eksperimentelle undersøgelse af glycin.
”Det viser sig, at mikroskopi af piezoresponse-kraft er perfekt egnet til at observere de fine detaljer i biologiske systemer på nanoskalaen,” sagde Kalinin. ”Med denne type mikroskopi får du muligheden for at studere elektromekanisk bevægelse på niveauet for et enkelt molekyle eller et lille antal molekylære enheder. Denne skala er præcis, hvor interessante ting kan ske. ”
Kholkins laboratorium dyrkede de krystallinske prøver af glycin, der blev undersøgt af hans team og af ORNL-mikroskopigruppen. Ud over de eksperimentelle målinger verificerede teamets teoretikere ferroelektriciteten med molekylær dynamik-simuleringer, der forklarede mekanismerne bag den observerede opførsel.
Genudgivet med tilladelse fra Oak Ridge National Laboratory.