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固体物理学提供生物材料介电性能的见解
发布时间:2018-01-31 12:43:12 阅读:258

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组 于贝贝 编译

使用基于后向波振荡器的太赫兹光谱仪获得的一些实验数据。来源:MIPT

    俄罗斯,捷克和德国研究人员组成的团队对三种生物来源材料的性质有了新的认识。除了具有良好研究性质的两种参考材料--血清白蛋白和细胞色素C外,研究人员还研究了用于生物燃料细胞的Shewanella oneidensis MR-1细菌的细胞外基质。该团队在广泛的频率和温度范围内测量了材料的动态电导率和介电常数。为了解释他们的发现,研究人员使用了凝聚态物理的理论方法和概念。详细研究报告发表在“科学报告”杂志上。

    莫斯科物理与技术研究所(MIPT)太赫兹光谱实验室的高级研究科学家康斯坦丁•莫托维洛夫说:“到目前为止,凝聚态物理的形式主义在古典生物化学和生物物理学中的应用仅有有限的一部分。当我们使用这种语言时,我们获得了模拟观察现象和描述生物结构的新方法。在本文中,我们通过凝聚态物理学的形式化来描述被认为是经典的非晶半导体的蛋白质的行为。”

    在讨论这项研究之前,给出固态物理如何解释不同材料电特性的一个简单例子。

    实际上有多种导电机制。对于每一种,都有相应的理论来描述某些材料的性质。例如,Drude理论充分解释了金属中的电导率。在理论中,传导电子之间不存在相互作用,这些电子被假定为偶尔与晶格、杂质和(晶格)缺陷碰撞。电导率是电阻率的倒数。电导率表示电流通过给定材料的容易程度。在Drude模型中,这个性质不依赖于电荷载流子和晶格或杂质之间碰撞的频率。但是,有大量的导电材料不符合这个描述。他们在外部电磁场中的行为是相当有趣的。这些材料包括玻璃,离子导体和非晶体半导体。

    为了定性地描述这种材料的电学特性,大约40年前英国物理学家Andrzej Karol Jonscher提出了另一种理论。根据他的理论,例如,电荷载流子-电子在室温下可以充分地被认为是自由的,只要交流电频率不超过几兆赫。在这些条件下,Drude模型是适用的,导电率几乎是恒定的,即它不依赖于外场的频率。然而,如果频率较高,则该描述不再有效,并且电导率与某一功率(接近0.8的频率)成正比地增加。即使频率保持恒定,对于逐渐冷却的材料也观察到同样的效果。

    有趣的是,不同的材料在这方面表现出非常类似的性质。此外,如果重申相关性-比如说讨论直流(静态)电导率和交流电导率之间的比率,而不是电导率-所有材料的关系都是相同的,这揭示了所谓的通用介电响应(UDR)。这个奇怪的现象在一个玻璃和其他非晶材料传导的研究中得到了彻底的研究,为他们的结构和性质提供了新的见解。

    该论文的作者表明,Jonscher的电导率定律适用于三种有机材料。其中有两种是众所周知的参考蛋白:牛血清白蛋白和牛心细胞色素C.它们的结构,物理和化学性质已经进行了详细的研究,因此研究人员使用它们作为参考材料。

该曲线图说明了各种温度下电导率(顶部)和介电常数的频率相关性,或者更确切地说,其对应于能量损失的虚部(底部)。白蛋白,细胞色素和EMF的数据分别绘制成蓝色、红色和黑色。该图显示,对于低频率和接近室温,EMF的电导率几乎是恒定的,而频率的增加或温度的降低导致电导率随频率线性增长。对于白蛋白和细胞色素,电导率在整个频率和温度范围内呈线性增长,而能量损失是恒定的。来源:K.A. Motovilov等人 /科学报告7,15731(2017)

    此外,他们还检查了可在生物燃料电池中发电的Shewanella oneidensis MR-1细菌的细胞外基质和细丝(EMF)。 S. oneidensis已被用于许多侧重于替代能源的研究中,因此其电学性质对研究人员和工程师都是有利的。2010年,美国和加拿大的一个研究小组发现细菌的细胞外附属物与p型半导体相似。S. oneidensis MR-1的电特性尚未被详细研究。 最近发表的文章试图弥补这一点。

    作者测量了材料的电导率,以及在从-260到40摄氏度的温度范围内从1赫兹到1.5太赫兹或兆赫兹的频率范围内的能量损失(严格地说,能量损失是由复介电常数的虚部给出的)。接下来,研究人员测量了EMF在温度从零度到40度的直流电导率,以及它们热容量的温度依赖性。对于三种材料中的每一种,还确定了水含量和离子浓度。

    为此,研究人员使用1厘米的模具将这些物质压制成颗粒。然后,他们将电极施加到颗粒的表面上,使交流电通过它们,以便测量在1-3亿赫兹范围内的材料的电导率和介电常数。 对于更高的频率,这种方法是行不通的,所以对于30-1,500千兆赫或十亿赫兹的范围,团队使用准光学太赫兹光谱学获得了复介电常数的光谱。在中频范围内没有进行测量。

    事实证明,在室温下,EMF的电导率几乎是恒定的,当频率增加到几百万赫兹或几兆赫兹时,电导率与一定功率成正比并且接近1。细胞色素C没有表现出这样的性质,除非频率低、温度高。这种性质在白蛋白身上根本没有观察到。这表明不用的电导率机制在这些材料中起作用。在室温下EMF几乎含有自由电荷,就像Durde模型一样。然而白蛋白没有这种性质,而细胞色素C具有混合的性质。

    研究人员观察到的相关性可以用材料的各个属性来解释。细胞色素C和白蛋白都是常规的蛋白质。尽管这些材料确实有一些自由电子,但这些数量还不足以证明durde模型的合理性.比较EMF中的电导率与金属(导体)中的电导率是比较现实的,因为在这些分子中更容易产生自由电荷。然而,更有效的比较是使用具有高浓度游离离子的食盐溶液。

    当然,完整的描述更加复杂,需要我们考虑材料的含水量和其他因素。例如,由于EMF包含大量松散结合的水,其电导率在约-250 C的温度和约1000亿赫兹(亚太赫兹太赫兹范围)的频率下以二次方增长。低温导致材料中的大量水分冻结,高频率意味着由水偶极子动力学引起的介电性能变得不可忽略。其他材料也显示了与Jonscher的预言的偏差,但它们并没有那么明显。

    因此,作者清楚地展示了凝聚态物理学的有效方法和工具,对于生物物体的电动力学的基础研究是有效的。下一步可能涉及生物材料研究的其他理论和模型,已经在物理界有效使用了数十年。

 
 

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