Кристаллы глицина могут заменить пьезоэлектрическую керамику в биологии и медицине

13:04, 12 марта 2018

При определенной упаковке молекул аминокислота производит значительный электрический заряд

Оптическая фототография микрокристаллов β-​глицина, выращенных из водного раствора. Красным выделена часть кристалла, использованная для измерения пьезоэлектрического резонанса в этом материале. Фото из статьи

Кристаллы глицина могут при деформации производить электрический заряд заметно больший, чем обычные керамика или полимер. Ученые УрФУ совместно с исследователями Лимерикского университета (Ирландия) и Университета Авейру (Португалия) впервые измерили пьезоэлектрические коэффициенты в кристаллах бета-глицина и выяснили, что их величины сравнимы с коэффициентами в титанате бария или цирконате-титанате свинца, которые используются в производстве пьезоэлектрических преобразователей и актюаторов.

«Мы выяснили, что эффективная упаковка молекул вдоль определенных кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле повышает пьезоэлектрический коэффициент. Самая высокая предсказанная нами пьезоэлектрическая константа для напряжения в кристаллах бета-глицина — 8 вольт/миллиньютон. Это на порядок больше, чем напряжение, сгенерированное любой используемой в настоящее время керамикой или полимером», — рассказал один из авторов работы Андрей Холкин, заведующий лабораторией наноразмерных сегнетоэлектрических материалов института естественных наук и математики УрФУ.

Современный интерес к применению пьезоэлектричества (возникновению электрического заряда при сжатии или растяжении материалов) в медицине и биологии возник благодаря его проявлению в биологических молекулах, таких как синтетические полипептиды или кристаллы аминокислот, включая гамма-глицин. Эффект был выявлен в костной ткани, коллагене, эластине и синтетическом костном гидроксиапатите. Однако авторы статьи отмечают, что пьезоэлектрические коэффициенты, представленные в этих биологических материалах, очень малы — как правило, в диапазоне 0,1–10 пикометр/вольт, и ограничивают их технологическое применение.

Глицин является простейшей аминокислотой. Он входит в состав множества белков и биологически активных соединений, используется в фармацевтике и пищевой промышленности. Глицин — классический полиморфный материал: в обычных условиях он может существовать в трех различных формах, которые обозначаются как альфа-, бета- и гамма-фазы, различающиеся между собой способом упаковки молекул в процессе роста кристаллов. Бета-глицин считается перспективным нелинейно-оптическим материалом. Он обладает множеством полезных оптических свойств — высоким значением коэффициента нелинейно-оптической восприимчивости, широким окном прозрачности, высоким порогом разрушения.

«Это позволяет рассматривать глицин как перспективный материал, который можно использовать не только как пьезоэлектрический преобразователь (например, для активации биологических процессов), но и в биосовместимых устройствах памяти, оптических переключателях, затворах транзисторов и т. д. Наши результаты открывают новые перспективы для таких применений», — пояснил Андрей Холкин.