Une propriété biologique peu comprise qui semble permettre aux composants cellulaires de stocker de l'énergie sur leurs bords extérieurs est la clé possible pour développer une nouvelle classe de matériaux et de dispositifs à collecter, stocker et gérer l'énergie pour une variété d'applications, une équipe de chercheurs du New Jersey Institute of Technology (NJIT) et de la Yeshiva University a proposé.

Dans un article publié la semaine dernière dans Communication Nature , "Modes de bord dynamiques de Majorana dans une large classe de systèmes mécaniques topologiques, " les chercheurs rapportent la découverte d'une grande classe de matériaux dotés de telles capacités.

"Remarquablement, nous pensons que ces propriétés peuvent être présentes dans de nombreux matériaux composés de dimères, une structure chimique dans laquelle deux masses similaires sont liées l'une à l'autre par un rigide, lien presque inextensible. Les dimères constituent les éléments constitutifs de nombreux composants cellulaires et il semble donc que le stockage d'énergie de cette manière soit une stratégie qu'une variété de cellules utilisent quotidiennement dans de nombreux organismes vivants, " note Camélia Prodan, professeur agrégé de physique au NJIT et auteur de l'article.

"Cette recherche pourrait être utilisée pour expliquer le comportement des cellules qui n'est pas encore entièrement compris, " Elle ajoute.

L'article est issu d'une recherche financée par une subvention d'un million de dollars du W.M. Fondation Keck décernée l'an dernier à Prodan et son collaborateur, Emil Prodan, professeur de physique à l'Université Yeshiva, rechercher le rôle des bords topologiques des phonons dans le fonctionnement des microtubules, le matériel squelettique des cellules eucaryotes. Les bords de phonons sont des quanta d'énergie sonore ou vibratoire confinés au bord ou à la surface d'un matériau.

Les Prodans s'intéressent particulièrement à la façon dont les microtubules stockent de l'énergie à leur bord qui ne se propage pas dans leurs corps cylindriques. Les modes de bord de Majorana sont l'équivalent d'un type de particule subatomique - les fermions de Majorana - qui apparaissent dans certains types de supraconducteurs. Ce sont les vibrations énergétiques qui apparaissent au bord d'un matériau qui ne peut être détruit par l'environnement ou par la rupture du matériau.

Ils explorent le potentiel de concevoir de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés physiques basées sur des modes de bord de phonons topologiques.

"Finalement, nous aimerions créer des matériaux qui imitent cette propriété - la capacité de restreindre l'énergie à un bord - pour améliorer la résistance aux séismes dans les bâtiments ou la protection des gilets pare-balles, par exemple, " dit-elle. " Nous pensons également que cette propriété peut être la clé d'une nouvelle génération d'agents anticancéreux, en raison du rôle que les phonons topologiques peuvent jouer dans la division cellulaire. Les microtubules doivent se désintégrer avant qu'une cellule puisse se diviser. La chimiothérapie fonctionne actuellement en empêchant les cellules de se diviser, mais les cancers récurrents trouvent un moyen d'affaiblir ces défenses."

En collaboration avec des experts en nanotechnologie du NJIT, Réginald Farrow, professeur-chercheur en physique, et Alokik Kanwal, professeur adjoint de recherche, ils espèrent fournir la première vérification expérimentale du rôle clé que jouent ces phonons topologiques dans de nombreux processus cellulaires fondamentaux, y compris la division cellulaire et le mouvement.

En outre, sur la base des résultats de leur étude des microtubules et des modes topologiques des bords des phonons, l'équipe de recherche cherchera à prédire et à fabriquer une nouvelle classe de matériaux appelés cristaux phononiques topologiques, avec des applications allant des cellules solaires à haut rendement énergétique, à l'insonorisation et à l'amplification, à l'isolation.