Una proprietà biologica poco conosciuta che sembra consentire ai componenti cellulari di immagazzinare energia sui loro bordi esterni è la possibile chiave per sviluppare una nuova classe di materiali e dispositivi per raccogliere, immagazzinare e gestire l'energia per una varietà di applicazioni, ha proposto un team di ricercatori del New Jersey Institute of Technology (NJIT) e della Yeshiva University.

In un articolo pubblicato la scorsa settimana in Comunicazioni sulla natura , "Modi di bordo dinamici Majorana in un'ampia classe di sistemi meccanici topologici, " i ricercatori segnalano la scoperta di una vasta classe di materiali con tali capacità.

"Sorprendentemente, riteniamo che queste proprietà possano essere presenti in molti materiali composti da dimeri, una struttura chimica in cui due masse simili sono collegate tra loro attraverso un rigido, legame quasi indissolubile. I dimeri costituiscono gli elementi costitutivi di molti componenti cellulari e quindi sembra che immagazzinare energia in questo modo sia una strategia che una varietà di cellule usa quotidianamente in molti organismi viventi, " nota Camelia Prodan, professore associato di fisica al NJIT e autore dell'articolo.

"Questa ricerca potrebbe essere utilizzata per spiegare il comportamento cellulare che non è ancora del tutto compreso, "aggiunge.

Il documento nasce da una ricerca finanziata da una sovvenzione di $ 1 milione del W.M. Keck Foundation ha assegnato lo scorso anno a Prodan e al suo collaboratore, Emil Prodan, professore di fisica alla Yeshiva University, per ricercare il ruolo dei bordi fononici topologici nel funzionamento dei microtubuli, il materiale scheletrico nelle cellule eucariotiche. I bordi fononici sono quanti di energia sonora o vibrazionale confinati al bordo o alla superficie di un materiale.

I Prodani sono particolarmente interessati a come i microtubuli immagazzinano energia al loro bordo che non si propaga nei loro corpi a forma di cilindro. I modi di bordo di Majorana sono l'equivalente di un tipo di particella subatomica - i fermioni di Majorana - che appaiono in alcuni tipi di superconduttori. Sono le vibrazioni energetiche che compaiono ai margini di un materiale che non può essere distrutto dall'ambiente o dalla rottura del materiale.

Stanno esplorando il potenziale per progettare nuovi materiali con nuove proprietà fisiche basate su modalità topologiche del bordo fononico.

"In definitiva, vorremmo creare materiali che imitano questa proprietà - la capacità di limitare l'energia a un bordo - per migliorare la resistenza ai terremoti negli edifici o la protezione dei giubbotti antiproiettile, Per esempio, ", dice. "Pensiamo anche che questa proprietà possa essere la chiave per una nuova generazione di agenti antitumorali, a causa del ruolo che i fononi topologici possono svolgere nella divisione cellulare. I microtubuli devono sfaldarsi prima che una cellula possa dividersi. La chemioterapia attualmente agisce impedendo alle cellule di dividersi, ma i tumori ricorrenti trovano un modo per indebolire queste difese".

Lavorando con esperti di nanotecnologia presso NJIT, Reginald Farrow, professore di fisica, e Alokik Kanwal, professore assistente di ricerca, sperano di fornire la prima verifica sperimentale del ruolo chiave che questi fononi topologici svolgono in molti processi cellulari fondamentali, compresa la divisione cellulare e il movimento.

Inoltre, sulla base dei risultati del loro studio sui microtubuli e sui modi topologici del bordo fononico, il team di ricerca cercherà di prevedere e fabbricare una nuova classe di materiali chiamati cristalli fononici topologici, con applicazioni che vanno dalle celle solari ad alta efficienza energetica, per insonorizzare e amplificare, all'isolamento.