Piezoelectricity and ferroelectricity in biomaterials: Molecular modeling and piezoresponse force microscopy measurements

Abstract

Piezoelectricity is one of the important functional properties inherent to many biomaterials. It stems from the non-centrosymmetric crystal structure of most biopolymers including proteins, polysaccharides, and lipids. Understanding the relationship between the generated electric field and applied mechanical stress has become the main motivation to studying piezoelectricity in biological systems and artificial biomaterials at the nanoscale. In this work, we present a review of the piezoelectric and ferroelectric properties of several molecular systems and nanomaterials revealed by Piezoresponse Force Microscopy (PFM) and compare the results with molecular modeling and computer simulations. Experimentally observed by PFM and calculated dielectric, piezoelectric, and ferroelectric properties of these materials are analyzed in the context of their possible role in functionality of biological systems. V C 2014 AIP Publishing LLC.

Computer modeling and molecular dynamics of polarization switching in the ferroelectric films PVDF and P(VDF-TrFE) on nanoscale

“…Поэтому после проведенного нами ранее (в аналогичных наших работах [12,16,17]) тестирования и сравнения результатов с методами ТФП, мы используем далее в данной работе РМ3 метод для сравнительно больших ПВДФ и П(ВДФ-ТрФЭ) систем и для более длинных (протяженных во времени и требующих больше оперативной пямяти) молекулярно-динамических расчетов. Более подробно молекулярные модели описаны в работах [12,16,17,19,32], и дополнительно детали представлены в недавно опубликованной работе [33]. Проведенные нами серии предварительных расчетов показали, что для оптимизации и МД прогонов в таких цепочках результаты расчетов в неограниченном ХФ (НХФ) и ограниченном ХФ (ОХФ) приближениях практически совпадают в пределах заданной точности.…”

“…Основываясь на наших предыдущих PM3 исследованиях [12,16,17,19,32,33], показавших их хорошую достоверность при сравнении с другими методами расчетов и экспериментом, мы предполагаем, что применение моделей с шестью мономерами и десятью мономерами будет достаточно для исследования переключения поляризации в первом приближении в таких нанопленках.…”

“…7 и 8 показывают в качестве примера рассчитанные петли гистерезиса для моделей цепочки ПВДФ-10 при разных градиентах поиска минимума энергии в опции «геометрическая оптимизация». Полученные значения со спонтанной поляризацией PS ~ 0.1...0.2 C/m 2 и соответствующими значениями коэрцитивного поля EC ~ 0.5 ... 2.5 GV/m (полученными аналогично работам [12,16,17,19,32,33]) приведены также в табл. 2 и табл.…”

Tip-induced domain structures and polarization switching in ferroelectric amino acid glycine

“…Apparently, new materials classes based on natural tissue components, such as amino acids, peptides, or lipids, should be explored in view of their natural biocompatibility and variability. 8 Recent studies on the simplest amino acid glycine have demonstrated that it is a suitable material with apparent ferroelectric properties and square piezoresponse hysteresis loops at room temperature. 9 The advantage of glycine is not only its simplicity and ability to serve as a building block for proteins but also its polymorphic nature allowing simple yet effective means to form piezoelectric composites comprising several phases of the same material (e.g., ferroelectric-dielectric or ferroelectric-piezoelectric).…”

Компьютерные Исследования Наноструктур Гидроксиапатита, Их Особенности И Свойства

“…Finally, it is also worth noting, that the value of the polarization and the surface charge density (P ~ 0.0038 C/m 2 ) obtained in view of the general law of the electromechanical coupling (that is the connection between polarization and piezoelectric coefficients, inherent of all ferroelectrics) [63,64] leads to the value of the piezoelectric coefficient of the order of d ~ 15.7 pm/V, which only twice larger than values ~ 7.62-8.48 pC/N (or pm/V) measured by Halperin et al on tibia bone samples by piezoresponse force miscroscopy [64,65]. As we discussed above (section 2.2) such deviation could occur by averaging the registered piezoelectric signal from different grains with various local polar states, fluctuated in crosssection of the native tibia bones samples.…”