Thymine (2-oxy-4-oxy-5 methyl pyrimidine) is one of the four nucleobases of deoxyribonucleic acid (DNA). In the DNA molecule, thymine binds to adenine via two hydrogen bonds, thus stabilizing the nucleic acid structure and is involved in pairing and replication. Here, we show that synthetic thymine microcrystals grown from the solution exhibit local piezoelectricity and apparent ferroelectricity, as evidenced by nanoscale electromechanical measurements via Piezoresponse Force Microscopy. Our experimental results demonstrate significant electromechanical activity and polarization switchability of thymine, thus opening a pathway for piezoelectric and ferroelectric-based applications of thymine and, perhaps, of other DNA nucleobase materials. The results are supported by molecular modeling of polarization switching under an external electric field.
References
1.
R. P.
Sinha
and D.-P.
Hader
, Photochem. Photobiol. Sci.
1
, 225
(2002
).2.
J. D.
Watson
and F. H. C.
Crick
, Nature
171
, 737
(1953
).3.
F. H. C.
Crick
, in Symp. Soc. Exp. Biol. XII
(Cambrige University Press
, 1958
), pp.139
–163
.4.
P. W. K.
Rothemund
, Nature
440
, 297
(2006
).5.
K.
Hansma
, B.
Drake
, O.
Marti
, S. A. C.
Gould
, and C. B.
Prater
, Science
243
, 641
(1989
).6.
C.
Leung
, A.
Bestembayeva
, R.
Thorogate
, J.
Stinson
, A.
Pyne
, Ch.
Marcovich
, J.
Yang
, U.
Drechsler
, M.
Despont
, T.
Jankowski
, M.
Tschope
, and B. W.
Hoogenboom
, Nano Lett.
12
, 3846
(2012
).7.
T.
Boland
and B. D.
Ratner
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
92
, 5297
(1995
).8.
V. D.
Lakhno
, Int. J. Quantum Chem.
108
, 1970
(2008
).9.
10.
J. D.
Slinker
, N. B.
Muren
, S. E.
Renfrew
, and J. K.
Barton
, Nat. Chem.
3
, 228
(2011
).11.
C. J.
Murphy
, M. R.
Arkin
, Y.
Jenkins
, N. D.
Ghatlia
, S. H.
Bossmann
, N. J.
Turro
, and J. K.
Barton
, Science
262
, 1025
(1993
).12.
H.-W.
Fink
and C.
Schonenberger
, Nature
398
, 407
(1999
).13.
S. O.
Kelley
and J. K.
Barton
, Science
283
, 375
(1999
).14.
L. V.
Yakushevich
, Phys. Lett. A.
136
, 413
(1989
).15.
Th. B.
Singh
, N. S.
Sariciftci
, and J. G.
Grote
, Adv. Polym. Sci.
223
, 73
(2010
).16.
M.
Jakobsson
and S.
Stafstrom
, J. Chem. Phys.
129
, 125102
(2008
).17.
Y. A.
Berlin
, A. L.
Burin
, and M. A.
Ratner
, J. Am. Chem. Soc.
123
, 260
(2001
).18.
E.
Louis
, F.
Yndurain
, and F.
Flores
, Phys. Rev. B
13
, 4408
(1976
).19.
C.
Tejedor
and F.
Flores
, J. Phys. C
11
, L19
(1978
).20.
M. Y.
Choi
and R. E.
Miller
, J. Phys. Chem. A
111
, 2475
(2007
).21.
S.
Tombelli
, M.
Minunni
, A.
Santucci
, M. M.
Spiriti
, and M.
Mascini
, Talanta
68
, 806
(2006
).22.
D.
Ehrlich
, L.
Carey
, J.
Chiou
, S.
Desmarais
, S.
El-Difrawy
, L.
Koutny
, R.
Lam
, P.
Matsudaira
, B.
Mckenna
, L.
Mitnik-Gankin
, T.
O'Neil
, M.
Novotny
, A.
Srivastava
, P.
Streechon
, and W.
Timp
, Proc. IEEE Sens.
1
, 448
(2002
).23.
M. P.
Nikiforov
, G. L.
Thompson
, V. V.
Reukov
, S.
Jesse
, S.
Guo
, B. J.
Rodriguez
, K.
Seal
, A. A.
Vertegel
, and S. V.
Kalinin
, ACS Nano
4
, 689
(2010
).24.
A.
Gruverman
, D.
Wu
, B. J.
Rodriguez
, S. V.
Kalinin
, and S.
Habelitz
, Biochem. Biophys. Res. Commun.
352
, 142
(2007
).25.
B. J.
Rodriguez
, S. V.
Kalinin
, J.
Shin
, S.
Jesse
, V.
Grichko
, T.
Thundat
, A. P.
Baddorf
, and A.
Gruverman
, J. Struct. Biol.
153
, 151
(2006
).26.
A.
Kholkin
, N.
Amdursky
, I.
Bdikin
, E.
Gazit
, and G.
Rosenman
, ACS Nano
4
, 610
(2010
).27.
A.
Heredia
, V.
Meunier
, I. K.
Bdikin
, J.
Gracio
, N.
Balke
, S.
Jesse
, A.
Tselev
, P. K.
Agarwal
, B. G.
Sumpter
, S. V.
Kalinin
, and A. L.
Kholkin
, Adv. Funct. Mater.
22
, 2996
(2012
).28.
S. B.
Lang
, S. A. M.
Tofail
, A. L.
Kholkin
, M.
Wojtas
, M.
Gregor
, A. A.
Gandhi
, Y.
Wang
, S.
Bauer
, M.
Krause
, and A.
Plecenik
, Sci. Rep.
3
, 2215
(2013
).29.
H.
Zheng
, Q.
Zhan
, F.
Zavaliche
, M.
Sherburne
, F.
Strau
, M. P.
Cruz
, L.-Q.
Chen
, U.
Dahmen
, and R.
Ramesh
, Nano Lett.
6
, 1401
(2006
).30.
N.
Balke
, I.
Bdikin
, S. V.
Kalinin
, and A. L.
Kholkin
, J. Am. Ceram. Soc.
92
, 1629
(2009
).31.
N. A.
Pertsev
, A.
Petraru
, H.
Kohlstedt
, R.
Waser
, I. K.
Bdikin
, D.
Kiselev
, and A. L.
Kholkin
, Nanotechnology
19
, 375703
(2008
).32.
See http://aimpro.ncl.ac.uk/ for AIMPRO | AIMPRO. abinitio Official Site.
33.
G.
Portalone
, L.
Bencivenni
, M.
Colapietro
, A.
Pieretti
, R. F.
amondo
, J.
Møller
, A.
Senning
, X.-K.
Yao
, H.-G.
Wang
, J.-P.
Tuchagues
, and M.
Ogren
, Acta Chem. Scand.
53
, 57
(1999
).34.
V. S.
Bystrov
, E. V.
Paramonova
, I. K.
Bdikin
, A. V.
Bystrova
, R. C.
Pullar
, and A. L.
Kholkin
, J. Mol. Mod.
19
, 3591
(2013
).35.
See http://www.hyper.com/?tabid=360 for HyperChem (2002), Tools for Molecular Modeling (release 7, 8), Professional edition, Gainesville: Hypercube, Inc. Home Page (accessed May 12,
2014
).36.
V. S.
Bystrov
, E.
Paramonova
, I.
Bdikin
, S.
Kopyl
, A.
Heredia
, R.
Pullar
, and A.
Kholkin
, Ferroelectrics
440
, 3
(2012
).37.
K.
Ozeki
, N.
Sakabe
, and J.
Tanaka
, Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Crystallogr. Cryst. Chem.
25
, 1038
(1969
).38.
R.
Gerdil
, Acta Cryst.
14
, 333
(1961
).39.
S.
Goshen
, D.
Mukamel
, and H.
Shaked
, Phys. Rev. B
2
, 4679
(1970
).40.
A. L.
Kholkin
, E. K.
Akdogan
, A.
Safari
, P. F.
Chauvy
, and N.
Setter
, J. Appl. Phys.
89
, 8066
(2001
).41.
Sh.
Dai
, M.
Gharbi
, P.
Sharma
, and H. S.
Park
, J. Appl. Phys.
110
, 104305
(2011
).42.
S. V.
Kalinin
, B. J.
Rodriguez
, S.
Jesse
, T.
Thundat
, and A.
Gruverman
, Appl. Phys. Lett.
87
, 053901
(2005
).43.
A. L.
Kholkin
, I. K.
Bdikin
, T.
Ostapchuk
, and J.
Petzelt
, Appl. Phys. Lett.
93
, 222905
(2008
).44.
C. W.
Bark
, P.
Sharma
, Y.
Wang
, S. H.
Baek
, S.
Lee
, S.
Ryu
, C. M.
Folkman
, P T. R.
Audel
, A.
Kumar
, S. V.
Kalinin
, A.
Sokolov
, E. Y.
Tsymbal
, M. S.
Rzchowski
, A.
Gruverman
, and C. B.
Eom
, Nano Lett.
12
, 1765
(2012
).45.
L. M.
Eng
, M.
Abplanalp
, and P.
Guner
, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.
66
, S679
(1998
).46.
S. V.
Kalinin
, A. N.
Morozovska
, L. Q.
Chen
, and B. J.
Rodriguez
, Rep. Prog. Phys.
73
(5
), 056502
(2010
).47.
I. K.
Bdikin
, J.
Gracio
, R.
Ayouchi
, R.
Schwarz
, and A. L.
Kholkin
, Nanotechnology
21
, 235703
(2010
).48.
M.-A.
Dubois
and P.
Mural
, Appl. Phys. Lett.
74
, 3032
(1999
).49.
B. A.
Strukov
and A. P.
Levanyuk
, Ferroelectric Phenomena in Crystals: Physical Foundations
(Springer
, London
, 2011
).50.
A. A.
Tagantsev
, L. E.
Cross
, and J.
Fousek
, Domains in Ferroic Crystals and Thin Films
(Springer
, New York
, 2010
).51.
Zh.
Sun
, X.
Wang
, J.
Luo
, Sh.
Zhang
, D.
Yuan
, and M.
Hong
, J. Mater. Chem. C
1
, 2561
(2013
).52.
V.
Ya. Shur
and E. L.
Rumyantsev
, Ferroelectrics
191
, 319
(1997
).53.
S. V.
Kalinin
, A.
Gruverman
, and D. A.
Bonnell
, Appl. Phys. Lett.
85
, 795
(2004
).54.
A.
Wu
, P. M.
Vilarinho
, V. V.
Shvartsman
, G.
Suchaneck
, and A. L.
Kholkin
, Nanotechnology
16
, 2587
(2005
).55.
V. V.
Shvartsman
, A. L.
Kholkin
, M.
Tyunina
, and J.
Levoska
, Appl. Phys. Lett.
86
, 222907
(2005
).56.
P. R.
Briddon
and M. J.
Rayson
, Phys. Status Solidi B
248
, 1309
(2011
).57.
K.-A. N.
Duerloo
, M. T.
Ong
, and E. J.
Reed
, J. Phys. Chem. Lett.
3
, 2871
(2012
).58.
K.-A. N.
Duerloo
and E. J.
Reed
, Nano Lett.
13
, 1681
(2013
).59.
P. R.
Briddon
and R.
Jones
, Phys. Status Solidi B
217
, 131
(2000
).60.
L.
Lehninger
, Biochemistry: The Molecular Basis of Cell Structure and Function
(Worth Pub, Inc.
, New York
, 1972
).61.
A. V.
Kabanov
and V. M.
Komarov
, Int. J. Quantum Chem.
88
, 579
(2002
).62.
J.
Musil
, O.
Novakova
, and K.
Kunz
, Biochemistry in Schematic Perspective
(Avicenum, Czechoslovak Medical Press
, Prague
, 1984
).63.
P.
Yakovchuk
, E.
Protozanova
, and M. D.
Frank-Kamenetskii
, Nucl. Acids Res.
34
, 564
(2006
).64.
J. J.
Dwyer
, A. G.
Gittis
, D. A.
Karp
, E. E.
Lattman
, D. S.
Spencer
, W. E.
Stites
, and E. B.
García-Moreno
, Biophys. J.
79
, 1610
(2000
).65.
C.
Halperin
, S.
Mutchnik
, A.
Argronin
, M.
Molotskii
, P.
Urenski
, M.
Salai
, and G.
Rosenman
, Nano Lett.
4
, 1253
(2004
).66.
J. R. C.
Maarel
, Biophys. J.
76
, 2673
(1999
).67.
© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
