Un equipo de ruso Investigadores checos y alemanes han obtenido una nueva perspectiva sobre las propiedades de tres materiales de origen biológico. Además de dos materiales de referencia con propiedades bien estudiadas, la albúmina sérica y el citocromo C, los investigadores observaron la matriz extracelular de la bacteria Shewanella oneidensis MR-1, que se utiliza en células de biocombustible. El equipo midió la conductividad dinámica y la permitividad dieléctrica de los materiales en una amplia gama de frecuencias y temperaturas. Para interpretar sus hallazgos, los investigadores utilizaron enfoques teóricos y conceptos de la física de la materia condensada. El artículo que detalla el estudio fue publicado en la revista Informes científicos .

"Hasta aquí, el formalismo de la física de la materia condensada sólo ha encontrado un uso limitado en la bioquímica y la biofísica clásicas. Como resultado, ciertos efectos interesantes evaden nuestra atención, "dice Konstantin Motovilov, un científico investigador senior en el Laboratorio de Espectroscopía de Terahercios en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT). "Cuando utilizamos este lenguaje, adquirimos nuevas formas de modelar los fenómenos observados y describir las estructuras biológicas. En nuestro periódico, caracterizamos el comportamiento de las proteínas, considerados como semiconductores amorfos clásicos, con la ayuda del formalismo de la física de la materia condensada ".

Antes de discutir el estudio, aquí hay un ejemplo rápido de cómo la física del estado sólido explica las propiedades eléctricas de diferentes materiales.

De hecho, existen múltiples mecanismos de conductividad eléctrica. Para cada, existe una teoría correspondiente que describe las propiedades de ciertos materiales. Por ejemplo, la conductividad en metales se explica adecuadamente por la teoría de Drude. En la teoria no hay interacción entre los electrones de conducción, que se supone que solo chocan ocasionalmente con la red cristalina, impurezas, y defectos. La conductividad eléctrica es la inversa de la resistividad eléctrica. La conductividad indica lo fácil que es que una corriente eléctrica atraviese un material determinado. Dentro del modelo Drude, esta propiedad no depende en gran medida de la frecuencia hasta la frecuencia de las colisiones entre los portadores de carga y la red o las impurezas. Sin embargo, Existe un gran grupo de materiales conductores que no se ajustan a esta descripción. Sin embargo, su comportamiento en un campo electromagnético externo es bastante interesante. Entre ellos hay vasos, conductores iónicos, y semiconductores amorfos.

Para describir cualitativamente las propiedades eléctricas de dichos materiales, otra teoría fue propuesta hace unos 40 años por Andrzej Karol Jonscher, un físico inglés. Según su teoría, portadores de carga:electrones, por ejemplo, puede considerarse adecuadamente libre a temperatura ambiente, siempre que la frecuencia de la corriente alterna no exceda de varios megahercios. Bajo estas condiciones, el modelo Drude es aplicable y la conductividad es casi constante, es decir., no depende de la frecuencia del campo externo. Si, sin embargo, la frecuencia es mayor, esta descripción ya no es válida y hay un aumento de conductividad proporcional a una determinada potencia —que se acerca a 0,8— de frecuencia. El mismo efecto se observa para los materiales que se enfrían gradualmente, incluso si la frecuencia se mantiene constante.

Curiosamente, diferentes materiales exhiben un comportamiento bastante similar en ese sentido. Es más, si reafirma las dependencias, digamos, hablar sobre la relación entre la conductividad de corriente continua (estática) y la conductividad de corriente alterna, a diferencia de la conductividad como tal, las relaciones para todos los materiales resultan ser idénticas, revelando la llamada Respuesta Dieléctrica Universal (UDR). Este curioso fenómeno fue investigado a fondo en un estudio que examinó la conducción en vidrios y otros materiales amorfos, ofreciendo nuevos conocimientos sobre su estructura y propiedades.

Los autores del artículo demostraron que la ley de conductividad de Jonscher se aplica a tres materiales orgánicos. Entre ellos, dos son proteínas de referencia bien conocidas:la albúmina de suero bovino y el citocromo C del corazón bovino. físico, y las propiedades químicas se han investigado en detalle, por lo que los investigadores los utilizaron como material de referencia.

Además, examinaron la matriz extracelular y los filamentos (CEM) de la bacteria Shewanella oneidensis MR-1, que puede producir electricidad en pilas de combustible biológicas. S. oneidensis se ha utilizado en muchos estudios con un enfoque en fuentes de energía alternativas, por lo que sus propiedades eléctricas son de interés tanto para investigadores como para ingenieros. En 2010, un equipo de investigadores con sede en Estados Unidos y Canadá demostró que los apéndices extracelulares de la bacteria se comportan de forma muy parecida a los semiconductores de tipo p. Sin embargo, las propiedades eléctricas de S. oneidensis MR-1 no se han estudiado en detalle. El artículo publicado recientemente es un intento de remediar eso.

Los autores midieron la conductividad de los materiales, así como las pérdidas de energía en un rango de frecuencia de 1 hertz a 1,5 terahertz, o billones de hercios, para temperaturas de -260 a 40 grados Celsius. (Estrictamente hablando, las pérdidas de energía están dadas por la parte imaginaria de la permitividad dieléctrica compleja). los investigadores midieron la conductividad de corriente continua de los campos electromagnéticos para temperaturas de cero a 40 ° C, así como la dependencia de la temperatura de su capacidad calorífica. Para cada uno de los tres materiales, También se determinaron el contenido de agua y la concentración de iones.

Para hacer esto, los investigadores presionaron las sustancias en gránulos usando un molde de 1 centímetro. Luego aplicaron electrodos a las caras de los gránulos para hacer pasar corriente alterna a través de ellos con el fin de medir la conductividad eléctrica y la permitividad dieléctrica de los materiales en el rango de 1 a 300 millones de hercios. Para frecuencias más altas, este enfoque no funciona, así que para el 30-1, 500 gigahercios, o mil millones de hercios, distancia, el equipo obtuvo los espectros de permitividad dieléctrica compleja utilizando espectroscopía cuasióptica de terahercios. No se realizaron mediciones en el rango de frecuencia intermedia.

Resultó que a temperatura ambiente, La conductividad EMF es casi constante, y cuando la frecuencia aumenta por encima de varios millones de hercios, o varios megahercios, la conductividad es proporcional a una determinada potencia, que es cercana a 1, de la frecuencia. El citocromo C no mostró tal comportamiento a menos que la frecuencia fuera baja y la temperatura alta. En el caso de la albúmina, no se observó en absoluto. Esto sugiere que en estos materiales están en juego diferentes mecanismos de conductividad. Es probable que los campos electromagnéticos tengan cargas casi libres a temperatura ambiente, al igual que en el modelo Drude, mientras que la albúmina no las tiene y el citocromo C es una mezcla.

La dependencia observada por los investigadores se puede explicar en términos de las propiedades individuales de los materiales. Tanto el citocromo C como la albúmina son proteínas regulares. Aunque estos materiales tienen algunos cargos gratuitos, estos no son tantos como serían necesarios para justificar el modelo Drude. Comparar la conductividad en EMF con la de metales (conductores) es más realista, ya que las cargas libres se generan más fácilmente en estas moléculas. Sin embargo, una comparación aún más válida sería que con una solución de sal de mesa, que tiene una alta concentración de iones libres.

Naturalmente, una descripción completa es más compleja y nos obligaría a tener en cuenta el contenido de agua de los materiales y otros factores. Por ejemplo, debido a que los campos electromagnéticos contienen cantidades significativas de agua débilmente unida, su conductividad crece cuadráticamente a temperaturas de alrededor de -250 C y frecuencias del orden de 100 mil millones de hercios (rango de sub-terahercios terahercios). Temperaturas tan bajas hacen que el agua a granel en el material se congele, y las altas frecuencias significan que las propiedades dieléctricas resultantes de la dinámica del dipolo del agua se vuelven no despreciables. Los otros materiales, también, exhiben desviaciones de las predicciones de Jonscher, pero no son tan dramáticos.

Así, los autores han demostrado claramente que la poderosa metodología e instrumentación de la física de la materia condensada es eficaz para la investigación fundamental de la electrodinámica de los objetos biológicos. El siguiente paso podría involucrar la aplicación a la investigación de biomateriales de una amplia gama de otras teorías y modelos que han sido utilizados de manera efectiva por la comunidad física durante muchas décadas.