Розділ 3 застосування та узагальнення методу
3.1 Застосування силової мікроскопії п'єзовідклика для дослідження бімолекулярних процесів
З моменту відкриття в 18 столітті м'язового скорочення у відповідь на електричну стимуляцію, зв'язок електричних і механічних властивостей в біологічних системах досліджується, і до цього дня. Одним з основних механізмів виникнення механічного відгуку під впливом прикладеного поля є п'єзоелектра. П'єзоелектричні властивості біологічних об'єктів обумовлені кристалічною структурою що входять до їх складу полімерів, таких як целюлоза, колаген, кератин, хінін, амілоза і ДНК. Основною метою останніх досліджень електромеханічних властивостей біосистем є спроба зрозуміти і виявити зв'язок між фізіоологічними генерованими електричними полями і механічною реакцією на різних рівнях, починаючи від біомолекул, клітин і закінчуючи тканинами. Ранні дослідження п'єзоелектричних властивостей біологічних об'єктів проводилися на макрорівні, тобто на рівні тканин, їх основною метою було встановлення залежностей між п'єзоелектричним відгуком від зразка, температурою і вологістю в приміщенні, частотою прикладається напруги, орієнтацією самого зразка.
Проведені на макрорівні дослідження показали існування множинних артефактів, що впливають на результати вимірювань, і обумовлених кінцевої провідністю біооб'єктів і наявністю рухливих іонів. Витік струму в експериментальних схемах вимірювання та потоки рухливих іонів, що містяться в біотканинах, часто приводили до виникнення лише короткочасних електричних «сплесків» у відповідь на періодичну механічне навантаження імпульсами прямокутної форми. Виміри зворотного п'єзоефекту в біозразках до недавнього часу було неможливі внаслідок малості коефіцієнтів п'єзо-електричного відгуку (порядку 1-5 пм / В). Поява інтер-ферометричних методів вимірювань і методик зондової мікроскопії зробило можливим дослідження п'єзовідклика біологічних об'єктів. Тим не менше, і на сьогодні основною складністю у вивченні п'єзоелектричних властивостей біологічних систем є складність «ієрархічної» організації біотканин, що перешкоджає кількісному опису їх електро-механічних властивостей.
П'єзоелектричні
властивості
біологічних
об'єктів
обумовлені
вхідним до
їх складу
орієнтованими
біомолекулами:
поліпептидами,
полісахаридами
і
поліну-клеотідами,
структура
яких описується
нецентральних-симетричними
точковими
групами
симетрії.
П'єзоелектричний
ефект
в
біополімерах
вперше був
виявлений
Шубніковим
при
дослідженні
деревини
та
інтерпретований
як п'єзовідклик
від
вхідних до
складу волокон
целюлози.
П'єзоелектричні
властивості
целюлози
обумовлені
наявністю
орієнтованих
гідроксильних
груп. Детальні
дослідження
показали,
п'єзовідклик
виникає
при
рухомій
деформації
вздовж
осі
волокна.
Волокна
целюлози
були віднесені
до 
точкової групи
симетрії. Їх
тензор
п'єзоелектричних
коефіцієнтів
має вигляд:
Реєстрований
п'єзовідклик
було виміряно і в тонких аркушах деревини,
утвореної орієнтованими целюлозними
волокнами. Величина виміряного коефіцієнта
становила від 3,1 х 10-14 м / В до 6,1 х 10-14 м /
В залежно від типу деревини та визначалася
багатьма факторами, такими як ступінь
орієнтованості волокон, вміст целюлози
в листі і щільністю упаковки волокон
целюлози в деревині.
Одним з цікавих застосувань силової мікроскопії п'єзовідклика є напрямок досліджень, пов'язаних з визначенням орієнтації біомолекул. Нижче наводиться один з напівкількісних підходів до визначення орієнтації біополімерів методами силової мікроскопії п'єзовідклика [3].
Відомо, що в
кристалах п'єзоелектричний відгук
характеризується тензором п'єзоелектричних
коефіцієнтів 
,
при цьому елементи тензора задаються
для головних кристалографічних вісей.
При вимірах кристалічних біополімерів
за методикою силової мікроскопії
п'єзовідклика,
напрями головних вісей, як правило,
невідомі, тому вимірювання, що проводяться
ортогонально площині і в площині зразка,
дають, відповідно, значення коефіцієнтів
і 
в лабораторній системі координат.
Лабораторна система координат співвідноситься з системою координат головних вісей кристала через кути Ейлера (θ, ψ, φ). Співвідношення між вимірюваними коефіцієнтами п'єзовідклика і коефіцієнтами в системі координат головних кристалографічних осей визначається виразом:
(3.1)
де,
і 
матриці поворота.
Для матеріалів з відомим тензором п'єзоелектричних коефіцієнтів, рішення рівняння дозволяє визначити орієнтацію молекул за вимірюваннями, проведеними в площині і ортогонально площині зразка (рис. 3.1) методами силової мікроскопії п'єзовідклика.
Зовнішнє електричне поле
Діюча на заряди сила
Рис.3.1. Зміна лінійних розмірів хімічного зв'язку полярної молекули в зовнішньому електричному полі [5]
На підставі розгляду п'єзоелектричних властивостей полярної молекули, в основі яких лежить зміна її лінійних розмірів, можна сказати, що електромеханічними властивостями володіє будь-яка полярна система, наприклад, шар дипольних молекул води на поверхні (рис.3.2).
молекула води
полярна поверхність
Рис. 3.2. Структуризація води на поверхні [5]
Тоді як вода в рідкому стані не проявляє п'єзоелектричних властивостей. Таким чином, п’єзоефект може служити для визначення структуризації води. П'єзоелектричні властивості структурованої води мають величезне значення при дослідженні біологічних систем. Практично всі біосистеми мають на поверхні шар води, і її структуризація буде впливати на їх електромеханічні властивості [5].