Un’équipe di ricercatori di diversi atenei e istituti di ricerca ha scoperto come sfruttare l’effetto piroelettrico della difenilalanina. La ricerca consentirà la creazione di nanodispositivi in grado di convertire il calore in energia elettrica. La scoperta degli scienziati è stata illustrata in uno studio apparso sulla rivista specializzata Applied Physics Letters pubblicata dall’American Institute of Physics.

La sperimentazione ha visto impegnati ricercatori turchi, portoghesi e russi provenienti dalla Istanbul Technical University, dalla University of Aveiro e dalla Ural Federal University. Gli scienziati hanno studiato la proprietà di assemblamento comune a molti peptidi e proteine, che riescono a unirsi in fibre lunghe e sottili note come fibrille e a comporre diverse altre forme.

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I ricercatori hanno scoperto come sfruttare questa proprietà innata dei peptidi per creare strutture tubulari di difenilalanina capaci di convertire l’energia termica in elettricità.

Tra i vantaggi più interessanti dei nanopolimeri figura la biocompatibilità, che li rende adatti a diverse applicazioni in campo biomedico: dai sensori in miniatura impiantabili nell’organismo alle terapie farmacologiche a bersaglio molecolare.

I ricercatori si sono focalizzati sulla difenilalanina, un materiale noto per le sue proprietà fisiche ed elettromeccaniche. Quando gli scienziati hanno essiccato le gocce di una soluzione di difenilalanina i monomeri del peptide hanno formato dei tubi cavi allungati, con una struttura simile a quella delle fibre insolubili composte dal peptide beta-amiloide nel morbo di Alzheimer. Come ha illustrato Andrei Kholkin, una delle firme dello studio:

La difenilalanina è uno dei primi materiali organici autoassemblanti che possono essere utilizzati per creare tubi, barre, nastri, sfere e altre forme di dimensioni microscopiche. In presenza di acqua i suoi gruppi chimici si riorganizzano per instaurare legami non covalenti e creare strutture incredibilmente rigide simili ai citoscheletri.

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La soluzione peptidica è stata essiccata a temperatura ambiente per un giorno per consentire alla difenilalanina di assemblarsi in microtubi. Ciascun tubo è lungo fino a un millimetro e con un diametro compreso tra 1 e 3 micrometri.

Per aumentare la corrente prodotta dalle strutture i ricercatori hanno creato diversi fasci di microtubi piazzandoli tra gli elettrodi ad ago per misurarne le proprietà.

Le strutture sono state riscaldate periodicamente con un laser, variando la temperatura fino a raggiungere gli 80°C. L’équipe ha poi calcolato il coefficiente piroelettrico, che misura l’efficienza di un materiale nella conversione del calore in energia elettrica.

Inizialmente la capacità piroelettrica dei microtubi riscaldati e raffreddati si è rivelata instabile, il coefficiente è diminuito del ~30%. Dopo essere stati esposti per la prima volta al calore i microtubi si sono però rivelati più stabili. Questo cambiamento secondo i ricercatori è dovuto all’assetto disordinato delle molecole d’acqua all’interno dei tubi cavi, causato dall’esposizione al calore.

Questo studio per la prima volta ha individuato un effetto piroelettrico significativo nei microtubi peptidici, simile a quello osservato in materiali semiconduttori come l’ossido di zinco o il nitruro di alluminio.

Queste strutture potrebbero essere usate nei pacemaker, per creare generatori termoelettrici su piccola scala da usare nei microdispositivi elettronici, per ingegnerizzare nano e microtermometri in grado di captare le variazioni di temperatura e non solo la temperatura assoluta di una cellula. Come spiega Kholkin:

Questi tubi sono in grado di generare elettricità in base alle variazioni termiche e ai diversi movimenti, quindi possono essere usati per stimolare e monitorare le cellule.

6 ottobre 2016
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