Ученые Химического института имени А.М. Бутлерова Казанского федерального университета совместно с федеральным исследовательским центром «Казанский научный центр Российской академии наук» выяснили, что перспективными соединениями для получения органических пьезоэлектрических материалов, являются дипептиды.

Команду исследователей составили: директор Химического института имени А.М. Бутлерова Марат Зиганшин, внешний совместитель (на момент исследовательской работы) НИЛ «Синтез новых материалов биомедицинского назначения» в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030» Суфия Зиганшина, магистрант Химического института КФУ (на момент исследовательской работы) Елена Кудрявцева, сотрудники ФИЦ КазНЦ РАН Анна Морозова, Надежда Курбатова, Анастас Бухараев.

Дипептиды – молекулы, состоящие из двух аминокислотных остатков, способные к самосборке с образованием разнообразных биосовместимых микро- и наноструктур, свойства которых можно легко модифицировать и тонко настраивать. Тем не менее к настоящему времени пьезоэлектрические свойства детально изучены лишь для одного дипептида – дифенилаланина.

Как сообщил Марат Зиганшин, пьезоэлектрические материалы, способные генерировать электрическую энергию в ответ на механическую деформацию и наоборот, в настоящее время являются предметом активных исследований. Результаты совместной работы опубликованы в журнале Applied Materials Today.

«Обычно такие материалы изготавливаются из неорганических соединений, например цирконат-титанат свинца и титанат бария. Вместе с тем большинство неорганических пьезоэлектриков не являются биосовместимыми и могут причинить вред живому организму при использовании их в качестве элементов биоэлектроники, – ввел в курс дела директор химинститута. –  Поэтому для этих целей предпочтительными являются биосовместимые пьезоэлектрические материалы. Они могут быть использованы в качестве диагностических средств для контроля температуры и артериального давления, для создания имплантируемых устройств, собирающих биомеханическую энергию от движений тела».

На сегодняшний день наибольшее распространение получили органические пьезоэлектрики на основе полимеров, полисахаридов, вирусов. Однако их пьезоэлектрический отклик обычно находится в диапазоне 1– 40 пм В−1, что недостаточно для многих потенциальных применений.

Последние исследования ученых КФУ совместно с коллегами указывают на существование проблемы воспроизводимого получения пьезоматериалов на основе дипептидов.

«Задача, которую обычно перед собой ставят исследователи, заключается в получении одного качественного микро- или нанообъекта: кристалла, трубки, стержня, и исследовании его пьезоэлектрических свойств, – акцентировал внимание М. Зиганшин. – Мы же в своей работе сначала решили разработать технологию масштабирования, то есть получения большого количества близких по размерам объектов».

В результате была предложена методика управления размером структур на примере дипептида лейцил-фенилаланина, которая позволяет получать необходимое количество микрообъектов с требуемыми размерами.

«Используя эту методику, мы получили микрокристаллы лейцил-фенилаланина и микростержни фенилаланил-лейцина, тем самым продемонстрировав, что порядок следования аминокислотных остатков в дипептидах является важнейшим фактором, определяющим конечную структуру, в которую эти молекулы соберутся», – уточнил директор Химического института. 

Методом атомно-силовой микроскопии были определены эффективные пьезоэлектрические коэффициенты для вертикальных и латеральных смещений: 71 пм В-1 и -73 пм В-1 для структур на основе фенилаланил-лейцина и 87 пм В-1 и -19 пм В-1 для микрокристаллов лейцил-фенилаланина, соответственно. Измеренные пьезоэлектрические коэффициенты оказались больше, чем для ранее изученных наноструктур на основе дифенилаланина.

В дальнейшем планируется создание композиционного материала – гибкой матрицы, в которую будут внедрены дипептидные пьезоэлектрики.

Исследования поддержаны субсидией, предоставленной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности № ФЗСМ-2023-0020.