Una propiedad biológica poco entendida que parece permitir que los componentes celulares almacenen energía en sus bordes externos es la posible clave para desarrollar una nueva clase de materiales y dispositivos para recolectar, almacenar y administrar energía para una variedad de aplicaciones, ha propuesto un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey (NJIT) y la Universidad Yeshiva.

En un artículo publicado la semana pasada en Comunicaciones de la naturaleza , "Modos de borde dinámicos de Majorana en una amplia clase de sistemas mecánicos topológicos, "los investigadores informan del descubrimiento de una gran clase de materiales con tales capacidades.

"Notablemente, creemos que estas propiedades pueden estar presentes en muchos materiales compuestos de dímeros, una estructura química en la que dos masas similares están unidas entre sí a través de un rígido, vínculo casi inquebrantable. Los dímeros constituyen los bloques de construcción de muchos componentes celulares y, por lo tanto, parece que almacenar energía de esta manera es una estrategia que una variedad de células utilizan a diario en muchos organismos vivos. "señala Camelia Prodan, profesor asociado de física en NJIT y autor del artículo.

"Esta investigación podría usarse para explicar el comportamiento celular que aún no se comprende completamente, " ella agrega.

El artículo proviene de una investigación financiada por una subvención de $ 1 millón de W.M. La Fundación Keck otorgó el año pasado a Prodan y su colaborador, Emil Prodan, profesor de física en la Universidad Yeshiva, investigar el papel de los bordes de fonones topológicos en el funcionamiento de los microtúbulos, el material esquelético de las células eucariotas. Los bordes de los fonones son cuantos de energía sonora o vibratoria confinados al borde o la superficie de un material.

Los Prodans están particularmente interesados ​​en cómo los microtúbulos almacenan energía en su borde que no se propaga en sus cuerpos en forma de cilindro. Los modos de borde de Majorana son el equivalente a un tipo de partícula subatómica, los fermiones de Majorana, que aparecen en algunos tipos de superconductores. Son las vibraciones energéticas que aparecen al borde de un material que no puede ser destruido por el entorno ni por la rotura del material.

Están explorando el potencial para diseñar nuevos materiales con propiedades físicas novedosas basadas en modos de borde de fonones topológicos.

"Por último, Nos gustaría crear materiales que imiten esta propiedad, la capacidad de restringir la energía a un borde, para mejorar la resistencia a los terremotos en los edificios o la protección de los chalecos antibalas. por ejemplo, ", dice." También creemos que esta propiedad puede ser la clave para una nueva generación de agentes anticancerígenos, debido al papel que pueden desempeñar los fonones topológicos en la división celular. Los microtúbulos deben desmoronarse antes de que una célula pueda dividirse. Actualmente, la quimioterapia actúa impidiendo que las células se dividan, pero los cánceres recurrentes encuentran una manera de debilitar estas defensas ".

Trabajando con expertos en nanotecnología en NJIT, Reginald Farrow, profesor investigador de física, y Alokik Kanwal, profesor asistente de investigación, esperan proporcionar la primera verificación experimental del papel clave que juegan estos fonones topológicos en muchos procesos celulares fundamentales, incluyendo la división y el movimiento celular.

Además, basado en los resultados de su estudio de microtúbulos y modos de borde de fonón topológicos, el equipo de investigación buscará predecir y fabricar una nueva clase de materiales llamados cristales fonónicos topológicos, con aplicaciones que van desde células solares energéticamente eficientes, para amortiguar y amplificar el sonido, al aislamiento.