Американский институт физики (AIP)
Пучок пептидных микротрубок может преобразовывать тепловую энергию в электрическую
Многие пептиды и белки обладают природной способностью собираться в длинные тонкие волокна, называемые фибриллами, или принимать другие формы. Теперь исследователи нашли способ использовать эту способность для создания трубчатых структур дифенилаланина, которые могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую, что также называется пироэлектрическим эффектом. В результатах их работы, опубликованных недавно в Applied Physics Letters, сообщается, что у этих биологически совместимых наноразмерных полимеров может быть широкий спектр биологических применений, таких как адресная доставка лекарственных средств или миниатюрные имплантируемые датчики.
 |
| Оптическое изображение пучка микротрубок, помещенных между двумя электродами. (Фото Холкин и др., Applied Physics Letters). |
Группа исследователей из Стамбульского технического университета в Турции, Университета Авейру в Португалии и Уральского федерального университета в России работала с дифенилаланином – материалом, уникальные электромеханические и физические свойства которого и раньше привлекали внимание ученых. Когда капли раствора дифенилаланина высушены, пептидные мономеры образуют удлиненные полые трубки, структурно подобные нерастворимым волокнам, формируемым бета-амилоидами при болезни Альцгеймера.
«Дифенилаланин является одним из первых самоупорядочивающихся материалов, который использовался для создания микроскопических трубок стержней, лент, шаров и много другого, – сказал Андрей Холкин, один из авторов исследования. – В присутствии воды его химические группы самоорганизуются, создавая нековалентные связи и образуя удивительно жесткие структуры, подобные цитоскелету».
Для того чтобы позволить дифенилаланину собраться в микротрубчатые структуры длиной до 1 мм и диаметром 1…3 мкм каждая, команда исследователей в течение дня высушивала стандартный пептидный раствор при комнатной температуре. Для увеличения тока, вырабатываемого структурами, группа создавала пучки из нескольких микротрубок и помещала их между игольчатыми электродами для измерения свойств структур.
Они периодически нагревали структуры с помощью лазера, изменяя температуру примерно до 80 градусов Цельсия, а затем вычисляли пирокоэффициент, являющийся мерой того, насколько эффективно материал может преобразовывать тепло в электрическую энергию. Хотя пироэлектрическая активность микротрубок первоначально была нестабильной, снижаясь после нагрева и охлаждения примерно на 30%, после первого термоциклирования она стабилизировалась. Авторы предполагают, что изменения при нагреве объясняются разупорядочиванием молекул воды внутри полых трубок.
«Это первое наблюдение существенного пироэлектрического эффекта в пептидных микротрубках, сходного с тем, что можно наблюдать в полупроводниковых материалах, таких как оксид цинка или нитрид алюминия, – сказал Холкин. – В принципе, наши пептидные микротрубки можно использовать в различных приложениях точно так же, как и эти материалы».
В предыдущих исследованиях группа показала, что эти нанотрубки обладают пьезоэлектрическим эффектом, то есть, могут преобразовывать механические силы в электрические сигналы, и могут использоваться в качестве датчиков для кардиостимуляторов или других миниатюрных электронных устройств.
Холкин считает, что обнаруженные недавно пироэлектрические свойства расширят потенциальную сферу применения дифенилаланиновых микротрубок. Например, структуры можно использовать для создания микроминиатюрных сборщиков энергии, которые частично восполняли бы потери энергии в микроэлектронных устройствах. Кроме того, их пироэлектрические свойства могут найти применение в конструкциях микро- и наноразмерных термометров, измеряющих не абсолютную температуру клетки, а ее изменения.
«Поскольку эти трубки могут генерировать электричество под воздействием изменений температуры и движения, они могут использоваться для стимулирования и мониторинга живых клеток», – сказал Холкин.
