Het donkerbruine melaninepigment, eumelanine, kleuren haar en ogen, en beschermt onze huid tegen beschadiging door de zon. Het is ook al lang bekend dat het elektriciteit geleidt, maar te weinig voor een nuttige toepassing - tot nu toe.

In een baanbrekende studie gepubliceerd in Grenzen in de chemie , Italiaanse onderzoekers hebben de structuur van eumelanine op subtiele wijze gewijzigd door het in vacuüm te verhitten.

"Ons proces produceerde een miljard-voudige toename van de elektrische geleidbaarheid van eumelanine, " zeggen senior auteurs Dr. Alessandro Pezzella van de Universiteit van Napels Federico II en Dr. Paolo Tassini van het Italiaanse Nationale Agentschap voor Nieuwe Technologieën, Energie en duurzame economische ontwikkeling. "Dit maakt het langverwachte ontwerp van op melanine gebaseerde elektronica mogelijk, die kan worden gebruikt voor geïmplanteerde apparaten vanwege de biocompatibiliteit van het pigment."

Eumelanine is een biocompatibele geleider

Een jonge Pezzella was nog niet eens naar school gegaan toen wetenschappers voor het eerst ontdekten dat een soort melanine elektriciteit kan geleiden. De opwinding steeg snel rond de ontdekking omdat eumelanine, het donkerbruine pigment dat in haar, huid en ogen - is volledig biocompatibel.

"Melanines komen van nature voor in vrijwel alle levensvormen. Ze zijn niet-toxisch en wekken geen immuunreactie op, " legt Pezzella uit. "In de omgeving, ze zijn ook volledig biologisch afbreekbaar."

Decennia later, en ondanks uitgebreid onderzoek naar de structuur van melanine, niemand is erin geslaagd zijn potentieel in implanteerbare elektronica te benutten.

"Daten, geleidbaarheid van zowel synthetisch als natuurlijk eumelanine is veel te laag geweest voor waardevolle toepassingen, " hij voegt toe.

Sommige onderzoekers probeerden de geleidbaarheid van eumelanine te verhogen door het te combineren met metalen, of het oververhitten tot een grafeenachtig materiaal - maar wat ze overhielden was niet echt het beloofde biocompatibele geleidende materiaal.

Vastbesloten om de echte deal te vinden, de Napolitaanse groep beschouwde de structuur van eumelanine.

"Alle chemische en fysische analyses van eumelanine schetsen hetzelfde beeld - van elektronendelende moleculaire platen, rommelig op elkaar gestapeld. Het antwoord leek voor de hand te liggen:maak de stapels netjes en lijn de vellen uit, zodat ze allemaal elektronen kunnen delen - dan zal de elektriciteit stromen."

Warmtebehandeling maakt haarpigment recht

Dit proces, gloeien genoemd, wordt al gebruikt om de elektrische geleidbaarheid en andere eigenschappen in materialen zoals metalen te verhogen.

Voor de eerste keer, de onderzoekers plaatsten films van synthetisch eumelanine door een gloeiproces onder hoog vacuüm om ze op te knappen - een beetje zoals het rechttrekken van haar, maar met alleen het pigment.

"We verwarmden deze eumelaninefilms - niet dikker dan een bacterie - onder vacuümomstandigheden, van 30 min tot 6 uur, " beschrijft Tassini. "We noemen het resulterende materiaal High Vacuum Annealed Eumelanin, HVA."

Het uitgloeien deed wonderen voor eumelanine:de films slonken met meer dan de helft, en kreeg een behoorlijk kleurtje.

"De HVAE-films waren nu donkerbruin en ongeveer zo dik als een virus, ', meldt Tassini.

Cruciaal, de folies waren niet zomaar krokant verbrand.

"Al onze verschillende analyses zijn het erover eens dat deze veranderingen de reorganisatie van eumelaninemoleculen weerspiegelen van een willekeurige oriëntatie naar een uniform, elektronendelende stapel. De gloeitemperaturen waren te laag om het eumelanine af te breken, en we ontdekten geen verbranding tot elementaire koolstof."

Een miljardvoudige toename in geleidbaarheid

Nadat de beoogde structurele veranderingen in eumelanine zijn bereikt, de onderzoekers bewezen hun hypothese op spectaculaire wijze.

"De geleidbaarheid van de films nam een ​​miljard keer toe tot een ongekende waarde van meer dan 300 S/cm, na 2 uur gloeien bij 600°C, ’ bevestigt Pezzella.

Hoewel koper een geleiding heeft van ongeveer 6 x 107 S/cm, ver achter bij de meeste metalen geleiders, brengt deze bevinding eumelanine tot ver in een bruikbaar bereik voor bio-elektronica.

Bovendien, de geleidbaarheid van HVAE was afstembaar volgens de annealing-omstandigheden.

"De geleidbaarheid van de films nam toe met toenemende temperatuur, van 1000-voudig bij 200°C. Dit opent de mogelijkheid om eumelanine op maat te maken voor een breed scala aan toepassingen in organische elektronica en bio-elektronica. Het ondersteunt ook sterk de conclusie uit structurele analyse dat gloeien de films reorganiseerde, in plaats van ze te verbranden."

Er is één potentiële demper:onderdompeling van de films in water resulteert in een duidelijke afname van de geleidbaarheid.

"Dit in tegenstelling tot onbehandeld eumelanine dat, zij het in een veel lager bereik, wordt meer geleidend met hydratatie (vochtigheid) omdat het elektriciteit geleidt via ionen en elektronen. Verder onderzoek is nodig om de ionische versus elektronische bijdragen in de geleidbaarheid van eumelanine volledig te begrijpen, wat de sleutel zou kunnen zijn tot hoe eumelanine praktisch wordt gebruikt in implanteerbare elektronica", besluit Pezzella.