Il confine tra elettronica e biologia si sta confondendo con la prima rilevazione da parte dei ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy di proprietà ferroelettriche in un amminoacido chiamato glicina.

Un gruppo di ricerca multi-istituzionale guidato da Andrei Kholkin dell'Università di Aveiro, Portogallo, ha utilizzato una combinazione di esperimenti e modelli per identificare e spiegare la presenza di ferroelettricità, una proprietà in cui i materiali cambiano la loro polarizzazione quando viene applicato un campo elettrico, nel più semplice amminoacido conosciuto, la glicina.

"La scoperta della ferroelettricità apre nuove strade a nuove classi di logica bioelettronica e dispositivi di memoria, dove la commutazione di polarizzazione viene utilizzata per registrare e recuperare informazioni sotto forma di domini ferroelettrici, ", ha affermato Sergei Kalinin, coautore e scienziato senior presso il Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) dell'ORNL.

Sebbene alcune molecole biologiche come la glicina siano note per essere piezoelettriche, un fenomeno in cui i materiali rispondono alla pressione producendo elettricità, la ferroelettricità è relativamente rara nel regno della biologia. Così, gli scienziati non sono ancora chiari sulle potenziali applicazioni dei biomateriali ferroelettrici.

"Questa ricerca aiuta a spianare la strada alla costruzione di dispositivi di memoria fatti di molecole che già esistono nel nostro corpo, " ha detto Kholkin.

Per esempio, sfruttare la capacità di commutare la polarizzazione attraverso minuscoli campi elettrici può aiutare a costruire nanorobot in grado di nuotare nel sangue umano. Kalinin avverte che tale nanotecnologia è ancora lontana nel futuro.

"Chiaramente c'è una strada molto lunga dallo studio dell'accoppiamento elettromeccanico a livello molecolare alla realizzazione di un nanomotore che può fluire attraverso il sangue, " disse Kalinin. "Ma a meno che tu non abbia un modo per fare questo motore e studiarlo, non ci saranno un secondo e un terzo passo. Il nostro metodo può offrire un'opzione per lo studio quantitativo e riproducibile di questa conversione elettromeccanica".

Lo studio, pubblicato in Materiali funzionali avanzati , si basa su ricerche precedenti presso il CNMS di ORNL, dove Kalinin e altri stanno sviluppando nuovi strumenti come la microscopia a forza piezorisposta utilizzata nello studio sperimentale della glicina.

"Si scopre che la microscopia a forza di risposta piezoelettrica è perfettamente adatta per osservare i minimi dettagli nei sistemi biologici su scala nanometrica, " ha detto Kalinin. "Con questo tipo di microscopia, acquisisci la capacità di studiare il movimento elettromeccanico a livello di una singola molecola o di un piccolo numero di complessi molecolari. Questa scala è esattamente dove possono accadere cose interessanti".

Il laboratorio di Kholkin ha coltivato i campioni cristallini di glicina che sono stati studiati dal suo team e dal gruppo di microscopia ORNL. Oltre alle misurazioni sperimentali, i teorici del team hanno verificato la ferroelettricità con simulazioni di dinamica molecolare che hanno spiegato i meccanismi alla base del comportamento osservato.