Uma equipe de russos, Pesquisadores tchecos e alemães ganharam uma nova perspectiva sobre as propriedades de três materiais de origem biológica. Além de dois materiais de referência com propriedades bem estudadas - albumina sérica e citocromo C - os pesquisadores analisaram a matriz extracelular da bactéria Shewanella oneidensis MR-1, que é usado em células de biocombustível. A equipe mediu a condutividade dinâmica e a permissividade dielétrica dos materiais em uma ampla faixa de frequências e temperaturas. Para interpretar suas descobertas, os pesquisadores usaram abordagens teóricas e conceitos da física da matéria condensada. O artigo que detalha o estudo foi publicado na revista. Relatórios Científicos .

"Até aqui, o formalismo da física da matéria condensada só encontrou uso limitado na bioquímica e na biofísica clássicas. Como resultado, certos efeitos interessantes escapam à nossa atenção, "diz Konstantin Motovilov, um cientista pesquisador sênior do Laboratório de Espectroscopia Terahertz do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT). "Quando fazemos uso desta linguagem, adquirimos novas maneiras de modelar fenômenos observados e descrever estruturas biológicas. Em nosso jornal, caracterizamos o comportamento das proteínas, considerados como semicondutores amorfos clássicos, com a ajuda do formalismo da física da matéria condensada. "

Antes de discutir o estudo, aqui está um exemplo rápido de como a física do estado sólido explica as propriedades elétricas de diferentes materiais.

Na verdade, existem vários mecanismos de condutividade elétrica. Para cada, existe uma teoria correspondente que descreve as propriedades de certos materiais. Por exemplo, a condutividade em metais é adequadamente explicada pela teoria de Drude. Na teoria, não há interação entre os elétrons de condução, que se presume que colidam apenas ocasionalmente com a rede de cristal, impurezas, e defeitos. A condutividade elétrica é o inverso da resistividade elétrica. A condutividade indica como é fácil para uma corrente elétrica passar por um determinado material. Dentro do modelo Drude, esta propriedade não depende fortemente da frequência até a frequência das colisões entre os portadores de carga e a rede ou impurezas. Contudo, há um grande grupo de materiais condutores que não se enquadram nessa descrição. No entanto, seu comportamento em um campo eletromagnético externo é bastante interessante. Entre eles estão os óculos, condutores iônicos, e semicondutores amorfos.

Para descrever qualitativamente as propriedades elétricas de tais materiais, outra teoria foi proposta há cerca de 40 anos por Andrzej Karol Jonscher, um físico inglês. De acordo com sua teoria, portadores de carga - elétrons, por exemplo, pode ser considerado adequadamente como livre em temperatura ambiente, desde que a frequência da corrente alternada não exceda vários megahertz. Sob estas condições, o modelo Drude é aplicável e a condutividade é quase constante, ou seja, não depende da frequência do campo externo. Se, Contudo, a frequência é maior, esta descrição não é mais válida e há um aumento da condutividade proporcional a uma determinada potência - que é próxima a 0,8 - de frequência. O mesmo efeito é observado para materiais que são resfriados gradualmente, mesmo que a frequência seja mantida constante.

Interessantemente, diferentes materiais exibem um comportamento bastante semelhante a esse respeito. Além disso, se você reafirmar as dependências - digamos, falar sobre a relação entre a condutividade de corrente contínua (estática) e a condutividade de corrente alternada, em oposição à condutividade como tal - as relações para todos os materiais acabam por ser idênticas, revelando a chamada Resposta Dielétrica Universal (UDR). Este curioso fenômeno foi exaustivamente investigado em um estudo que examinou a condução em vidros e outros materiais amorfos, oferecendo novos insights sobre sua estrutura e propriedades.

Os autores do artigo mostraram que a lei de Jonscher para a condutividade se aplica a três materiais orgânicos. Entre eles, duas são proteínas de referência bem conhecidas:albumina de soro bovino e citocromo C de coração de bovino. Sua estrutura, fisica, e as propriedades químicas foram investigadas em detalhes, então os pesquisadores os usaram como materiais de referência.

Além disso, eles examinaram a matriz extracelular e os filamentos (EMF) da bactéria Shewanella oneidensis MR-1, que podem produzir eletricidade em células de combustível biológicas. S. oneidensis tem sido usado em muitos estudos com foco em fontes alternativas de energia, portanto, suas propriedades elétricas são de interesse para pesquisadores e engenheiros. Em 2010, uma equipe de pesquisadores com sede nos Estados Unidos e Canadá mostrou que os apêndices extracelulares da bactéria se comportam muito como semicondutores do tipo p. As propriedades elétricas de S. oneidensis MR-1, no entanto, não foram estudadas em detalhes. O artigo publicado recentemente é uma tentativa de remediar isso.

Os autores mediram a condutividade dos materiais, bem como as perdas de energia em uma faixa de frequência de 1 hertz a 1,5 terahertz, ou trilhões de hertz, para temperaturas de -260 a 40 graus Celsius. (Estritamente falando, as perdas de energia são dadas pela parte imaginária da permissividade dielétrica complexa.) Em seguida, os pesquisadores mediram a condutividade de corrente contínua de EMF para temperaturas de zero a 40 C, bem como a dependência da sua capacidade calorífica com a temperatura. Para cada um dos três materiais, o conteúdo de água e a concentração de íons também foram determinados.

Para fazer isso, os pesquisadores pressionaram as substâncias em pelotas usando um molde de 1 centímetro. Eles então aplicaram eletrodos nas faces das pelotas para passar a corrente alternada através delas a fim de medir a condutividade elétrica e a permissividade dielétrica dos materiais na faixa de 1-300 milhões de hertz. Para frequências mais altas, esta abordagem não funciona, então para o 30-1, 500 gigahertz, ou bilhões de hertz, faixa, a equipe obteve os espectros de permissividade dielétrica complexa usando espectroscopia quasi-optica terahertz. Nenhuma medição foi feita na faixa de frequência intermediária.

Descobriu-se que em temperatura ambiente, A condutividade EMF é quase constante, e quando a frequência é aumentada acima de vários milhões de hertz, ou vários megahertz, a condutividade é proporcional a uma certa potência - que é próxima a 1 - da frequência. O citocromo C não exibiu tal comportamento, a menos que a frequência fosse baixa e a temperatura alta. No caso da albumina, não foi observado de forma alguma. Isso sugere que diferentes mecanismos de condutividade estão em jogo nesses materiais. É provável que o EMF tenha cargas quase gratuitas em temperatura ambiente - assim como no modelo Drude - ao passo que a albumina não as tem e o citocromo C é um saco misto.

A dependência observada pelos pesquisadores pode ser explicada em termos das propriedades individuais dos materiais. Tanto o citocromo C quanto a albumina são proteínas regulares. Embora esses materiais tenham algumas taxas gratuitas, estes não são tantos quanto seriam necessários para justificar o modelo de Drude. Comparar a condutividade em EMF com a de metais (condutores) é mais realista, como cargas livres são mais facilmente geradas nessas moléculas. Contudo, uma comparação ainda mais válida seria aquela com uma solução de sal de cozinha, que possui uma alta concentração de íons livres.

Naturalmente, uma descrição completa é mais complexa e exigiria que levássemos em consideração o conteúdo de água dos materiais e outros fatores. Por exemplo, porque o EMF contém quantidades significativas de água fracamente ligada, sua condutividade cresce quadraticamente a temperaturas de cerca de -250 C e frequências da ordem de 100 bilhões de hertz (intervalo de subterahertz terahertz). Temperaturas tão baixas fazem com que a água bruta no material congele, e altas frequências significam que as propriedades dielétricas resultantes da dinâmica do dipolo da água se tornam não desprezíveis. Os outros materiais, também, exibem desvios das previsões de Jonscher, mas eles não são tão dramáticos.

Os autores mostraram claramente que a poderosa metodologia e instrumentação da física da matéria condensada são eficazes para pesquisas fundamentais na eletrodinâmica de objetos biológicos. A próxima etapa poderia envolver a aplicação à pesquisa de biomateriais de uma ampla gama de outras teorias e modelos que têm sido efetivamente usados ​​pela comunidade física por muitas décadas.