Una squadra di russi, Ricercatori cechi e tedeschi hanno acquisito una nuova prospettiva sulle proprietà di tre materiali di origine biologica. Oltre a due materiali di riferimento con proprietà ben studiate, albumina sierica e citocromo C, i ricercatori hanno esaminato la matrice extracellulare del batterio Shewanella oneidensis MR-1, che viene utilizzato nelle celle a biocombustibile. Il team ha misurato la conduttività dinamica e la permittività dielettrica dei materiali in un'ampia gamma di frequenze e temperature. Per interpretare i loro risultati, i ricercatori hanno utilizzato approcci teorici e concetti della fisica della materia condensata. Il documento che descrive in dettaglio lo studio è stato pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici .

"Finora, il formalismo della fisica della materia condensata ha trovato solo un uso limitato nella biochimica e nella biofisica classiche. Di conseguenza, certi effetti interessanti sfuggono alla nostra attenzione, "dice Konstantin Motovilov, un ricercatore senior presso il Laboratorio di spettroscopia Terahertz presso l'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT). "Quando usiamo questo linguaggio, acquisiamo nuovi modi di modellare i fenomeni osservati e descrivere le strutture biologiche. Nel nostro giornale, caratterizziamo il comportamento delle proteine, considerati come classici semiconduttori amorfi, con l'aiuto del formalismo della fisica della materia condensata."

Prima di discutere lo studio, ecco un rapido esempio di come la fisica dello stato solido spiega le proprietà elettriche di diversi materiali.

Esistono infatti molteplici meccanismi di conducibilità elettrica. Per ciascuno, esiste una teoria corrispondente che descrive le proprietà di alcuni materiali. Per esempio, la conducibilità nei metalli è adeguatamente spiegata dalla teoria di Drude. Nella teoria, non c'è interazione tra gli elettroni di conduzione, che si presume collidano solo occasionalmente con il reticolo cristallino, impurità, e difetti. La conduttività elettrica è l'inverso della resistività elettrica. La conduttività indica quanto è facile per una corrente elettrica passare attraverso un dato materiale. All'interno del modello Drude, questa proprietà non dipende fortemente dalla frequenza fino alla frequenza delle collisioni tra portatori di carica e reticolo o impurezze. Però, esiste un ampio gruppo di materiali conduttivi che non si adattano a questa descrizione. Eppure il loro comportamento in un campo elettromagnetico esterno è piuttosto interessante. Tra questi ci sono gli occhiali, conduttori ionici, e semiconduttori amorfi.

Per descrivere qualitativamente le proprietà elettriche di tali materiali, un'altra teoria fu proposta circa 40 anni fa da Andrzej Karol Jonscher, un fisico inglese. Secondo la sua teoria, portatori di carica:elettroni, ad esempio, può essere adeguatamente considerato libero a temperatura ambiente, purché la frequenza della corrente alternata non superi diversi megahertz. In queste condizioni, il modello Drude è applicabile e la conducibilità è quasi costante, cioè., non dipende dalla frequenza del campo esterno. Se, però, la frequenza è maggiore, questa descrizione non è più valida e si ha un aumento della conducibilità proporzionale ad una certa potenza - che si avvicina a 0,8 - di frequenza. Lo stesso effetto si osserva per i materiali che vengono gradualmente raffreddati, anche se la frequenza è mantenuta costante.

interessante, materiali diversi mostrano un comportamento abbastanza simile al riguardo. Inoltre, se riaffermi le dipendenze, diciamo, parlare del rapporto tra la conduttività della corrente continua (statica) e la conduttività della corrente alternata, in contrasto con la conduttività in quanto tale, le relazioni per tutti i materiali risultano essere identiche, rivelando la cosiddetta Risposta Dielettrica Universale (UDR). Questo curioso fenomeno è stato studiato a fondo in uno studio che ha esaminato la conduzione in vetri e altri materiali amorfi, offrendo nuove informazioni sulla loro struttura e proprietà.

Gli autori dell'articolo hanno mostrato che la legge di Jonscher per la conduttività si applica a tre materiali organici. Tra loro, due sono proteine ​​di riferimento ben note:l'albumina sierica bovina e il citocromo C del cuore bovino. fisico, e le proprietà chimiche sono state studiate in dettaglio, quindi i ricercatori li hanno usati come materiali di riferimento.

Inoltre, hanno esaminato la matrice extracellulare e i filamenti (EMF) del batterio Shewanella oneidensis MR-1, che può produrre elettricità nelle celle a combustibile biologiche. S. oneidensis è stato utilizzato in molti studi con particolare attenzione alle fonti energetiche alternative, quindi le sue proprietà elettriche sono di interesse sia per i ricercatori che per gli ingegneri. Nel 2010, un team di ricercatori con sede negli Stati Uniti e in Canada ha dimostrato che le appendici extracellulari del batterio si comportano in modo molto simile ai semiconduttori di tipo p. Le proprietà elettriche di S. oneidensis MR-1 non sono state tuttavia studiate in dettaglio. Il documento pubblicato di recente è un tentativo di rimediare a questo.

Gli autori hanno misurato la conducibilità dei materiali, così come le perdite di energia in un intervallo di frequenza da 1 hertz a 1,5 terahertz, o trilioni di hertz, per temperature da -260 a 40 gradi Celsius. (In senso stretto, le perdite di energia sono date dalla parte immaginaria della complessa permittività dielettrica.) Successivamente, i ricercatori hanno misurato la conduttività in corrente continua dei campi elettromagnetici per temperature da zero a 40 C, così come la dipendenza dalla temperatura della loro capacità termica. Per ciascuno dei tre materiali, sono stati anche determinati il ​​contenuto di acqua e la concentrazione di ioni.

Per fare questo, i ricercatori hanno pressato le sostanze in pellet usando uno stampo da 1 centimetro. Hanno quindi applicato elettrodi alle facce dei pellet per far passare la corrente alternata attraverso di essi al fine di misurare la conduttività elettrica e la permittività dielettrica dei materiali nell'intervallo 1-300 milioni di hertz. Per frequenze più alte, questo approccio non funziona, quindi per il 30-1, 500 gigahertz, o miliardi di hertz, gamma, il team ha ottenuto gli spettri della permettività dielettrica complessa utilizzando la spettroscopia terahertz quasiottica. Non sono state effettuate misurazioni nella gamma di frequenze intermedie.

Si è scoperto che a temperatura ambiente, La conduttività EMF è quasi costante, e quando la frequenza è aumentata al di sopra di diversi milioni di hertz, o diversi megahertz, la conducibilità è proporzionale a una certa potenza, che è vicina a 1, della frequenza. Il citocromo C non ha mostrato tale comportamento a meno che la frequenza non fosse bassa e la temperatura alta. Nel caso dell'albumina, non è stato affatto osservato. Ciò suggerisce che in questi materiali sono in gioco diversi meccanismi di conduttività. È probabile che l'EMF abbia cariche quasi gratuite a temperatura ambiente, proprio come nel modello Drude, mentre l'albumina non le ha e il citocromo C è un miscuglio.

La dipendenza osservata dai ricercatori può essere spiegata in termini di proprietà individuali dei materiali. Sia il citocromo C che l'albumina sono proteine ​​regolari. Sebbene questi materiali abbiano alcuni costi gratuiti, questi non sono così tanti come sarebbe necessario per giustificare il modello Drude. Confrontare la conduttività in campi elettromagnetici con quella nei metalli (conduttori) è più realistico, poiché le cariche libere sono più facilmente generate in queste molecole. Però, un confronto ancora più valido sarebbe quello con una soluzione di sale da cucina, che ha un'alta concentrazione di ioni liberi.

Naturalmente, una descrizione completa è più complessa e richiederebbe di prendere in considerazione il contenuto di acqua dei materiali e altri fattori. Ad esempio, poiché i campi elettromagnetici contengono quantità significative di acqua debolmente legata, la sua conduttività cresce quadraticamente a temperature di circa -250 C e frequenze dell'ordine di 100 miliardi di hertz (intervallo di terahertz sub-terahertz). Temperature così basse causano il congelamento dell'acqua sfusa nel materiale, e le alte frequenze significano che le proprietà dielettriche risultanti dalla dinamica del dipolo dell'acqua diventano non trascurabili. Gli altri materiali, pure, mostrano deviazioni dalle previsioni di Jonscher, ma non sono così drammatici.

Gli autori hanno così mostrato chiaramente che la potente metodologia e strumentazione della fisica della materia condensata è efficace per la ricerca fondamentale sull'elettrodinamica degli oggetti biologici. Il prossimo passo potrebbe riguardare l'applicazione alla ricerca sui biomateriali dell'ampia gamma di altre teorie e modelli che sono stati efficacemente utilizzati dalla comunità dei fisici per molti decenni.