Итальянские ученые нашли способ повысить электропроводность эумеланина в миллиард раз

Некоторое время назад ученые с удивлением обнаружили, что эумеланин — природный пигмент, ответственный за потемнение кожи и волос — может проводить электричество. Открытие сразу же поставило вопрос о его применении в имплантируемой электронике. А поскольку меланин уже естественным образом содержится в организме, его биосовместимость гарантирована. Тем не менее электропроводность оказалась слишком слабой для каких-либо значительных реальных применений. Однако в новом революционном исследовании итальянские ученые нашли способ перегруппировать меланин в более упорядоченные и тонкие листы, тем самым повысив проводимость пигмента в миллиард раз.

«Наш процесс привел к повышению электропроводности эумеланина в миллиарды раз, что делает возможным долгожданное создание электроники на основе меланина, которая может использоваться для имплантируемых устройств благодаря биосовместимости пигмента», — утверждают специалисты в своей работе, результаты которой опубликованы в журнале Frontiers in Chemistry.

Меланин — пигмент, который придает коже, волосам и глазам человека цвет. У темнокожих людей его больше, чем у светлокожих. В зависимости от химического строения меланин в основном делят на эумеланин и феомеланин: первый отвечает прежде всего за коричневые и черные оттенки, а второй — за красные и желтые. Оба продуцируются специализированной группой клеток, называемых меланоцитами. Эти соединения представляют большой интерес для ученых, поскольку встречаются в природе практически во всех жизненных формах, нетоксичны, не вызывают иммунного ответа и полностью разлагаются микроорганизмами. Тем не менее предыдущие попытки укротить электропроводность меланина, сочетая его с другими металлами или перегревая графеном, ни к чему не привели.

Группа ученых под руководством сотрудника Неаполитанского университета Алессандра Пеццеллы (Alessandro Pezzella) и сотрудника Итальянского национального агентства новых технологий Паоло Тассини (Paolo Tassini) выбрала другой путь: в своей работе они исходили из структуры эумеланина, которая естественным образом состоит из миллионов разупорядоченных слоев друг на друге.

«Все химические и физические анализы эумеланина рисуют одну и ту же картину — молекулярные слои с электронным обменом, сложенные вместе. Ответ казался очевидным: нужно выравнять слои и листы, чтобы все они могли делиться электронами, — тогда электричество будет течь», — говорят ученые.

Чтобы получить аккуратно расположенные слои эумеланина, исследователи обратились к методу отжига. Обычно используемый в металлургии и материаловедении, отжиг — процесс термообработки, применяемый в основном для повышения пластичности и снижения твердости материала. Пленки синтетического эумеланина вводили в вакуумную камеру и нагревали до 600 °С в течение шести часов. Процесс отжига напоминает выпрямление волос, только на этот раз специалисты работали с самим пигментом. Когда эксперимент был завершен, пленки эумеланина стали темно-коричневыми и уменьшились от размера, сравнимого с бактерией, до размера вируса. Вместо беспорядочных слоев листы меланина самоорганизовались в параллельную конфигурацию, которая обеспечивает перенос электронов, и, в отличие от предыдущих попыток, не сгорели дотла.

Исследователи обнаружили, что проводимость пленок меланина повысилась в миллиарды раз, что дает возможность его использования в устройствах следующего поколения и биосовместимых имплантатах. Однако впереди еще много работы. Несмотря на огромный импульс, обработанный меланин по-прежнему в полтора миллиарда раз менее проводящий, чем медь. Более того, его проводимость значительно снижается в присутствии воды, которую наш организм содержит в больших количествах.

По словам Пеццеллы, необходимы дальнейшие исследования для полного понимания роли ионов и электронов в проводимости эумеланина. Это может стать ключом к тому, как этот пигмент можно на практике использовать в имплантируемой электронике.