In de toekomst, onze gezondheid kan worden gecontroleerd en onderhouden door kleine sensoren en medicijndispensers, ingezet in het lichaam en gemaakt van grafeen - een van de sterkste, lichtste materialen ter wereld. Grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, met elkaar verbonden als flinterdun kippengaas, en zijn eigenschappen kunnen op talloze manieren worden afgestemd, waardoor het een veelzijdig materiaal is voor kleine, implantaten van de volgende generatie.

Maar grafeen is ongelooflijk stijf, terwijl biologisch weefsel zacht is. Daarom, elke kracht die wordt toegepast om een ​​grafeenimplantaat te bedienen, kan de omliggende cellen snel opwarmen en braden.

Nutsvoorzieningen, ingenieurs van MIT en Tsinghua University in Peking hebben precies gesimuleerd hoe elektrische stroom warmte kan genereren tussen een enkele laag grafeen en een eenvoudig celmembraan. Terwijl direct contact tussen de twee lagen onvermijdelijk oververhit raakt en de cel doodt, de onderzoekers ontdekten dat ze dit effect konden voorkomen met een zeer dunne, tussenlaag van water.

Door de dikte van deze tussenliggende waterlaag af te stemmen, de onderzoekers konden de hoeveelheid warmte die wordt overgedragen tussen grafeen en biologisch weefsel zorgvuldig controleren. Ze identificeerden ook de kritische kracht die moet worden toegepast op de grafeenlaag, zonder het celmembraan te braden. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Co-auteur Zhao Qin, een onderzoekswetenschapper bij het Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) van het MIT, zegt dat de simulaties van het team kunnen helpen bij de ontwikkeling van grafeenimplantaten en hun optimale stroomvereisten.

"We hebben veel inzicht gegeven, zoals wat de kritische kracht is die we kunnen accepteren die de cel niet zal braden, " zegt Qin. "Maar soms willen we misschien opzettelijk de temperatuur verhogen, omdat voor sommige biomedische toepassingen we willen cellen doden zoals kankercellen. Dit werk kan ook worden gebruikt als leidraad [voor die inspanningen.]"

Tot de co-auteurs van Qin behoren Markus Buehler, hoofd van CEE en de McAfee Professor of Engineering, samen met Yanlei Wang en Zhiping Xu van de Tsinghua University.

Sandwich-model

Typisch, warmte reist tussen twee materialen via trillingen in de atomen van elk materiaal. Deze atomen trillen altijd, bij frequenties die afhankelijk zijn van de eigenschappen van hun materialen. Als een oppervlak opwarmt, zijn atomen trillen nog meer, botsingen met andere atomen veroorzaken en daarbij warmte overdragen.

De onderzoekers probeerden nauwkeurig de manier waarop warmte reist te karakteriseren, op het niveau van individuele atomen, tussen grafeen en biologisch weefsel. Om dit te doen, zij beschouwden de eenvoudigste interface, bestaande uit een kleine, Een vel grafeen van 500 nanometer in het vierkant en een eenvoudig celmembraan, gescheiden door een dun laagje water.

"In het lichaam, water is overal, en het buitenoppervlak van membranen zal altijd graag in wisselwerking staan ​​met water, dus je kunt het niet helemaal verwijderen, " zegt Qin. "Dus kwamen we met een sandwichmodel voor grafeen, water, en membraan, dat is een kristalhelder systeem om de thermische geleidbaarheid tussen deze twee materialen te zien."

Qin's collega's aan de Tsinghua University hadden eerder een model ontwikkeld om de interacties tussen atomen in grafeen en water nauwkeurig te simuleren. met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie - een computationele modelleringstechniek die rekening houdt met de structuur van de elektronen van een atoom bij het bepalen hoe dat atoom zal interageren met andere atomen.

Echter, deze modelleringstechniek toepassen op het sandwichmodel van de groep, die ongeveer een half miljoen atomen omvatte, zou een ongelooflijke hoeveelheid rekenkracht nodig hebben. In plaats daarvan, Qin en zijn collega's gebruikten klassieke moleculaire dynamica - een wiskundige techniek gebaseerd op een "krachtveld"-potentiaalfunctie, of een vereenvoudigde versie van de interacties tussen atomen - waarmee ze interacties binnen grotere atomaire systemen efficiënt konden berekenen.

De onderzoekers bouwden vervolgens een sandwichmodel op atoomniveau van grafeen, water, en een celmembraan, gebaseerd op het vereenvoudigde krachtveld van de groep. Ze voerden moleculaire dynamica-simulaties uit waarin ze de hoeveelheid stroom die op het grafeen werd toegepast veranderden, evenals de dikte van de tussenliggende waterlaag, en observeerde de hoeveelheid warmte die van het grafeen naar het celmembraan werd overgedragen.

Waterige kristallen

Omdat de stijfheid van grafeen en biologisch weefsel zo verschillend is, Qin en zijn collega's verwachtten dat warmte vrij slecht zou geleiden tussen de twee materialen, steil opbouwen in het grafeen voordat het celmembraan overstroomt en oververhit raakt. Echter, de tussenliggende waterlaag hielp deze warmte af te voeren, waardoor de geleiding wordt vergemakkelijkt en een temperatuurpiek in het celmembraan wordt voorkomen.

Als we de interacties binnen deze interface nader bekijken, deden de onderzoekers een verrassende ontdekking:binnen het sandwichmodel het water, gedrukt tegen het kippengaaspatroon van grafeen, veranderd in een soortgelijke kristalachtige structuur.

"Het rooster van grafeen fungeert als een sjabloon om het water te geleiden om netwerkstructuren te vormen, " legt Qin uit. "Het water gedraagt ​​zich meer als een vast materiaal en maakt de stijfheidsovergang van grafeen en membraan minder abrupt. We denken dat dit helpt om warmte van grafeen naar de membraanzijde te geleiden."

De groep varieerde de dikte van de tussenliggende waterlaag in simulaties, en ontdekte dat een 1 nanometer brede laag water hielp om de warmte zeer effectief af te voeren. In termen van het vermogen dat op het systeem wordt toegepast, ze berekenden dat ongeveer een megawatt vermogen per vierkante meter, toegepast in kleine, uitbarstingen van microseconden, was het meeste vermogen dat op de interface kon worden toegepast zonder het celmembraan te oververhitten.

Qin zegt vooruit te gaan, implantaatontwerpers kunnen het model en de simulaties van de groep gebruiken om de kritische stroomvereisten voor grafeenapparaten van verschillende afmetingen te bepalen. Wat betreft hoe ze de dikte van de tussenliggende waterlaag praktisch zouden kunnen beheersen, hij zegt dat het oppervlak van grafeen kan worden aangepast om een ​​bepaald aantal watermoleculen aan te trekken.

"Ik denk dat grafeen een veelbelovende kandidaat is voor implanteerbare apparaten, " zegt Qin. "Onze berekeningen kunnen kennis opleveren voor het ontwerpen van deze apparaten in de toekomst, voor specifieke toepassingen, zoals sensoren, monitoren, en andere biomedische toepassingen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.