La frontière entre l'électronique et la biologie s'estompe avec la première détection par des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie de propriétés ferroélectriques dans un acide aminé appelé glycine.

Une équipe de recherche multi-institutionnelle dirigée par Andrei Kholkin de l'Université d'Aveiro, Le Portugal, a utilisé une combinaison d'expériences et de modélisation pour identifier et expliquer la présence de ferroélectricité, une propriété où les matériaux changent de polarisation lorsqu'un champ électrique est appliqué, dans l'acide aminé connu le plus simple, la glycine.

"La découverte de la ferroélectricité ouvre de nouvelles voies vers de nouvelles classes de logique bioélectronique et de dispositifs de mémoire, où la commutation de polarisation est utilisée pour enregistrer et récupérer des informations sous la forme de domaines ferroélectriques, " a déclaré Sergei Kalinin, co-auteur et scientifique principal du Centre des sciences des matériaux en nanophase (CNMS) de l'ORNL.

Bien que certaines molécules biologiques comme la glycine soient connues pour être piézoélectriques, un phénomène dans lequel les matériaux répondent à la pression en produisant de l'électricité, la ferroélectricité est relativement rare dans le domaine de la biologie. Ainsi, les scientifiques ignorent encore les applications potentielles des biomatériaux ferroélectriques.

"Cette recherche aide à ouvrir la voie à la construction de dispositifs de mémoire faits de molécules qui existent déjà dans notre corps, ", a déclaré Kholkin.

Par exemple, l'utilisation de la capacité de changer de polarisation à travers de minuscules champs électriques peut aider à construire des nanorobots capables de nager dans le sang humain. Kalinin prévient qu'une telle nanotechnologie est encore un long chemin à parcourir.

"Il est clair qu'il y a un très long chemin entre l'étude du couplage électromécanique au niveau moléculaire et la fabrication d'un nanomoteur pouvant circuler dans le sang, " dit Kalinin. " Mais à moins que vous n'ayez un moyen de fabriquer ce moteur et de l'étudier, il n'y aura pas de deuxième et troisième étapes. Notre méthode peut offrir une option pour l'étude quantitative et reproductible de cette conversion électromécanique."

L'étude, Publié dans Matériaux fonctionnels avancés , s'appuie sur des recherches antérieures au CNMS de l'ORNL, où Kalinin et d'autres développent de nouveaux outils tels que la microscopie à force de réponse piézoélectrique utilisée dans l'étude expérimentale de la glycine.

"Il s'avère que la microscopie à force de réponse piézo est parfaitement adaptée pour observer les détails fins des systèmes biologiques à l'échelle nanométrique, " dit Kalinin. " Avec ce type de microscopie, vous acquérez la capacité d'étudier le mouvement électromécanique au niveau d'une seule molécule ou d'un petit nombre d'assemblages moléculaires. Cette échelle est exactement là où des choses intéressantes peuvent se produire."

Le laboratoire de Kholkin a cultivé les échantillons cristallins de glycine qui ont été étudiés par son équipe et par le groupe de microscopie ORNL. En plus des mesures expérimentales, les théoriciens de l'équipe ont vérifié la ferroélectricité avec des simulations de dynamique moléculaire qui ont expliqué les mécanismes derrière le comportement observé.