Un aminoacid menține starea cuantică a unui material la temperaturi de peste 20 de grade Celsius
Cercetătorii au reușit să extindă un comportament cuantic neobișnuit al unui material de la temperaturi extrem de scăzute până la valori situate cu mult peste temperatura camerei, relatează un studiu publicat în Nature Chemistry. Descoperirea ar putea deschide calea către noi tehnologii, inclusiv memorii de computer cu consum redus de energie.
Punctul de plecare al cercetării a fost un material special care se comportă neobișnuit atunci când este răcit la aproximativ minus 93 de grade Celsius, o temperatură apropiată de cea mai scăzută valoare înregistrată vreodată în Antarctica. Materialul de bază este un strat subțire format din trei straturi atomice ale unui compus numit disulfură de tantal.
Comportamentul respectiv este cunoscut drept undă de densitate de sarcină commensurabilă (CCDW). Spre deosebire de mișcarea dezordonată obișnuită a electronilor într-un metal, acest fenomen îi face pe electroni să se deplaseze împreună, într-un model care urmărește structura internă a materialului. Menținerea acestui comportament la temperaturi ridicate a presupus un pas surprinzător: adăugarea unui aminoacid numit arginină, o componentă de bază a proteinelor.
Cercetarea provine dintr-o colaborare internațională condusă de investigatorii de la UCLA College și de la California NanoSystems Institute de la UCLA. Materialul combinat a fost realizat din stive verticale repetate, cu două straturi de arginină intercalate între straturi simple de disulfură de tantal. Atunci când alte două aminoacizi au fost combinați cu disulfura de tantal, niciunul nu a prezentat comportamentul CCDW la temperatura camerei.
Cercetătorii au constatat că molecula de arginină se potrivește în matricea cristalină a disulfurei de tantal ca o piesă de puzzle. Potrivirea perfectă a dimensiunii aminoacidului și modul în care sunt distribuiți electronii săi par să explice efectul dramatic. În mod normal, electronii se mișcă mai mult sau mai puțin aleatoriu printr-un metal și sunt ușor deviați de vibrațiile de mică amploare cauzate de căldura ambientală. CCDW, bazat pe regulile contraintuitive ale lumii cuantice subatomice, prezintă o mișcare ordonată a electronilor, care curg împreună cu aceste distorsiuni ale structurii cristaline.
Comportamentul special ar putea fi valorificat în tehnologii viitoare, însă necesitatea unor temperaturi extrem de scăzute reprezintă un obstacol. Cercetătorii au pus pentru prima dată împreună disulfura de tantal și arginina într-un studiu anterior, în care au evaluat peste 50 de molecule pe bază de carbon pentru a vedea care dintre ele se combină cu materiale avansate. Extinderea intervalului de temperatură pentru CCDW a fost o descoperire întâmplătoare, relevată în analize ulterioare.
Studiul actual a comparat materialul cu disulfura de tantal simplă, folosind o varietate de tehnici care măsoară vibrațiile, fluxul electric, variațiile de temperatură și structura atomică. Simulările pe computer au ajutat la stabilirea motivului pentru care arginina a schimbat comportamentul materialului cuantic. Utilizarea unui aminoacid reprezintă un exemplu rar de chimiști ai materialelor anorganice care folosesc chimia moleculară pentru a modula comportamentul electronic al cristalelor anorganice. Rezultatele ar putea lărgi spațiul de proiectare al materialelor avansate, pentru a include și alte molecule ale vieții.
Următorii pași ai cercetătorilor vor urmări aprofundarea înțelegerii atât a materialului, cât și a metodei. Odată dezvoltată, combinația dintre disulfura de tantal și arginină ar putea sta la baza unor noi tehnologii, precum memorii de computer eficiente energetic. Ar fi un tip complet nou de stocare, bazat pe proprietăți cuantice, în locul electronilor care stau la baza electronicii tradiționale. Descoperirea întâmplătoare care a stat la originea studiului ar putea duce la o nouă modalitate de extindere a capacităților materialelor cuantice.
Specificațiile care au făcut din arginină o potrivire atât de bună pentru disulfura de tantal ar putea informa într-o zi proiectarea rațională a materialelor — pornind de la o proprietate dorită, precum superconductivitatea, și identificând sau proiectând apoi molecule care să o realizeze. Autorul corespondent al studiului este Xiangfeng Duan, deținătorul catedrei Raymond A. and Dorothy A. Wilson Endowed Chair la UCLA și profesor distins de chimie și biochimie.
