Une équipe de russe, Des chercheurs tchèques et allemands ont acquis une nouvelle perspective sur les propriétés de trois matériaux d'origine biologique. Outre deux matériaux de référence aux propriétés bien étudiées, l'albumine sérique et le cytochrome C, les chercheurs se sont penchés sur la matrice extracellulaire de la bactérie Shewanella oneidensis MR-1, qui est utilisé dans les biopiles. L'équipe a mesuré la conductivité dynamique et la permittivité diélectrique des matériaux dans une large gamme de fréquences et de températures. Pour interpréter leurs conclusions, les chercheurs ont utilisé des approches théoriques et des concepts de la physique de la matière condensée. L'article détaillant l'étude a été publié dans la revue Rapports scientifiques .

"Jusque là, le formalisme de la physique de la matière condensée n'a trouvé qu'une utilisation limitée en biochimie et biophysique classiques. Par conséquent, certains effets intéressants échappent à notre attention, " dit Konstantin Motovilov, chercheur principal au Laboratoire de spectroscopie térahertz de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT). "Quand nous utilisons cette langue, nous acquérons de nouvelles façons de modéliser les phénomènes observés et de décrire les structures biologiques. Dans notre papier, nous caractérisons le comportement des protéines, considérés comme des semi-conducteurs amorphes classiques, à l'aide du formalisme de la physique de la matière condensée."

Avant de discuter de l'étude, voici un exemple rapide de la façon dont la physique du solide explique les propriétés électriques de différents matériaux.

Il existe en effet de multiples mécanismes de conductivité électrique. Pour chaque, il existe une théorie correspondante qui décrit les propriétés de certains matériaux. Par exemple, la conductivité dans les métaux est adéquatement expliquée par la théorie de Drude. Dans la théorie, il n'y a pas d'interaction entre les électrons de conduction, qui sont supposés n'entrer en collision qu'occasionnellement avec le réseau cristallin, impuretés, et défauts. La conductivité électrique est l'inverse de la résistivité électrique. La conductivité indique à quel point il est facile pour un courant électrique de traverser un matériau donné. Dans le modèle Drude, cette propriété ne dépend pas fortement de la fréquence jusqu'à la fréquence des collisions entre porteurs de charge et réseau ou impuretés. Cependant, il existe un grand groupe de matériaux conducteurs qui ne correspondent pas à cette description. Pourtant leur comportement dans un champ électromagnétique extérieur est assez intéressant. Parmi eux se trouvent des lunettes, conducteurs ioniques, et les semi-conducteurs amorphes.

Pour décrire qualitativement les propriétés électriques de tels matériaux, une autre théorie a été proposée il y a environ 40 ans par Andrzej Karol Jonscher, un physicien anglais. Selon sa théorie, porteurs de charge — électrons, par exemple, peut être considéré comme libre à température ambiante, à condition que la fréquence du courant alternatif ne dépasse pas plusieurs mégahertz. Dans ces conditions, le modèle Drude est applicable et la conductivité est presque constante, c'est à dire., il ne dépend pas de la fréquence du champ extérieur. Si, cependant, la fréquence est plus élevée, cette description n'est plus valable et il y a une augmentation de la conductivité proportionnelle à une certaine puissance - qui est voisine de 0,8 - de fréquence. Le même effet est observé pour les matériaux qui se refroidissent progressivement, même si la fréquence est maintenue constante.

De façon intéressante, différents matériaux présentent un comportement assez similaire à cet égard. De plus, si vous reformulez les dépendances—disons, parler du rapport entre la conductivité du courant continu (statique) et la conductivité du courant alternatif, par opposition à la conductivité en tant que telle - les relations pour tous les matériaux s'avèrent identiques, révélant la soi-disant réponse diélectrique universelle (UDR). Ce phénomène curieux a été soigneusement étudié dans une étude qui a examiné la conduction dans les verres et autres matériaux amorphes, offrant de nouvelles perspectives sur leur structure et leurs propriétés.

Les auteurs de l'article ont montré que la loi de Jonscher pour la conductivité s'applique à trois matériaux organiques. Parmi eux, deux sont des protéines de référence bien connues :l'albumine de sérum bovin et le cytochrome C de coeur bovin. Leur structure, physique, et les propriétés chimiques ont été étudiées en détail, les chercheurs les ont donc utilisés comme matériaux de référence.

En outre, ils ont examiné la matrice extracellulaire et les filaments (CEM) de la bactérie Shewanella oneidensis MR-1, qui peut produire de l'électricité dans des piles à combustible biologiques. S. oneidensis a été utilisé dans de nombreuses études axées sur les sources d'énergie alternatives, ses propriétés électriques intéressent donc à la fois les chercheurs et les ingénieurs. En 2010, une équipe de chercheurs basée aux États-Unis et au Canada a montré que les appendices extracellulaires de la bactérie se comportent un peu comme des semi-conducteurs de type p. Les propriétés électriques de S. oneidensis MR-1 n'ont cependant pas été étudiées en détail. L'article récemment publié est une tentative pour remédier à cela.

Les auteurs ont mesuré la conductivité des matériaux, ainsi que les pertes d'énergie dans une gamme de fréquence de 1 hertz à 1,5 terahertz, ou mille milliards de hertz, pour des températures de -260 à 40 degrés Celsius. (À proprement parler, les pertes d'énergie sont données par la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe.) Ensuite, les chercheurs ont mesuré la conductivité en courant continu des champs électromagnétiques pour des températures de zéro à 40 C, ainsi que la dépendance à la température de leur capacité calorifique. Pour chacun des trois matériaux, la teneur en eau et la concentration en ions ont également été déterminées.

Pour faire ça, les chercheurs ont pressé les substances en pastilles à l'aide d'un moule de 1 centimètre. Ils ont ensuite appliqué des électrodes sur les faces des pastilles pour y faire passer un courant alternatif afin de mesurer la conductivité électrique et la permittivité diélectrique des matériaux dans la plage de 1 à 300 millions de hertz. Pour des fréquences plus élevées, cette approche ne fonctionne pas, donc pour le 30-1, 500 gigahertz, ou milliards de hertz, gamme, l'équipe a obtenu les spectres de permittivité diélectrique complexe en utilisant la spectroscopie térahertz quasi-optique. Aucune mesure n'a été effectuée dans la gamme de fréquences intermédiaires.

Il s'est avéré qu'à température ambiante, La conductivité EMF est presque constante, et lorsque la fréquence est augmentée au-dessus de plusieurs millions de hertz, ou plusieurs mégahertz, la conductivité est proportionnelle à une certaine puissance - qui est proche de 1 - de la fréquence. Le cytochrome C n'a pas présenté un tel comportement à moins que la fréquence ne soit basse et la température élevée. Dans le cas de l'albumine, il n'a pas été observé du tout. Cela suggère que différents mécanismes de conductivité sont en jeu dans ces matériaux. Il est probable que l'EMF ait des charges presque gratuites à température ambiante, tout comme dans le modèle Drude, alors que l'albumine n'en a pas et que le cytochrome C est un sac mélangé.

La dépendance observée par les chercheurs s'explique par les propriétés individuelles des matériaux. Le cytochrome C et l'albumine sont des protéines régulières. Bien que ces matériaux aient des frais gratuits, ceux-ci sont loin d'être aussi nombreux qu'il le faudrait pour justifier le modèle Drude. Comparer la conductivité des champs électromagnétiques à celle des métaux (conducteurs) est plus réaliste, car les charges libres sont plus facilement générées dans ces molécules. Cependant, une comparaison encore plus valable serait celle avec une solution de sel de table, qui a une forte concentration d'ions libres.

Naturellement, une description complète est plus complexe et nécessiterait de prendre en compte la teneur en eau des matériaux et d'autres facteurs. Par exemple, parce que les champs électromagnétiques contiennent des quantités importantes d'eau faiblement liée, sa conductivité croît de manière quadratique à des températures d'environ -250 C et à des fréquences de l'ordre de 100 milliards de hertz (gamme sub-térahertz térahertz). Des températures aussi basses provoquent le gel de l'eau en vrac dans le matériau, et les hautes fréquences signifient que les propriétés diélectriques résultant de la dynamique des dipôles de l'eau deviennent non négligeables. Les autres matériaux, trop, présenter des écarts par rapport aux prédictions de Jonscher, mais ils ne sont pas aussi dramatiques.

Les auteurs ont ainsi clairement montré que la puissante méthodologie et l'instrumentation de la physique de la matière condensée étaient efficaces pour la recherche fondamentale en électrodynamique des objets biologiques. La prochaine étape pourrait impliquer l'application à la recherche sur les biomatériaux du large éventail d'autres théories et modèles qui ont été efficacement utilisés par la communauté des physiciens pendant de nombreuses décennies.