Il pigmento melanina marrone scuro, eumelanina, colora i capelli e gli occhi, e protegge la nostra pelle dai danni del sole. È anche noto da tempo che conduce elettricità, ma troppo poco per qualsiasi applicazione utile, fino ad ora.

In uno studio di riferimento pubblicato su Frontiere della chimica , Ricercatori italiani hanno modificato sottilmente la struttura dell'eumelanina riscaldandola nel vuoto.

"Il nostro processo ha prodotto un aumento di miliardi di volte nella conduttività elettrica dell'eumelanina, " affermano gli autori senior dello studio il dott. Alessandro Pezzella dell'Università degli Studi di Napoli Federico II e il dott. Paolo Tassini dell'Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, Energia e sviluppo economico sostenibile. "Ciò rende possibile la progettazione tanto attesa dell'elettronica basata sulla melanina, che può essere utilizzato per dispositivi impiantati a causa della biocompatibilità del pigmento."

L'eumelanina è un conduttore biocompatibile

Un giovane Pezzella non aveva nemmeno iniziato la scuola quando gli scienziati hanno scoperto per la prima volta che un tipo di melanina può condurre elettricità. L'eccitazione crebbe rapidamente intorno alla scoperta perché l'eumelanina, il pigmento marrone scuro che si trova nei capelli, pelle e occhi, è completamente biocompatibile.

"Le melanine si trovano naturalmente in quasi tutte le forme di vita. Non sono tossiche e non provocano una reazione immunitaria, " spiega Pezzella. "Fuori nell'ambiente, sono inoltre completamente biodegradabili."

Decenni dopo, e nonostante approfondite ricerche sulla struttura della melanina, nessuno è riuscito a sfruttare il suo potenziale nell'elettronica impiantabile.

"Ad oggi, la conduttività dell'eumelanina sintetica e naturale è stata troppo bassa per applicazioni di valore, " Aggiunge.

Alcuni ricercatori hanno cercato di aumentare la conduttività dell'eumelanina combinandola con i metalli, o surriscaldarlo in un materiale simile al grafene, ma ciò che gli è rimasto non era veramente il materiale conduttore biocompatibile promesso.

Determinato a trovare il vero affare, il gruppo napoletano considerava la struttura dell'eumelanina.

"Tutte le analisi chimiche e fisiche dell'eumelanina dipingono la stessa immagine:fogli molecolari a condivisione di elettroni, impilati disordinatamente insieme. La risposta sembrava ovvia:riordinare le pile e allineare i fogli, in modo che possano condividere tutti gli elettroni, quindi l'elettricità scorrerà".

Il trattamento termico raddrizza il pigmento dei capelli

Questo processo, chiamato ricottura, è già utilizzato per aumentare la conduttività elettrica e altre proprietà in materiali come i metalli.

Per la prima volta, i ricercatori hanno sottoposto pellicole di eumelanina sintetica a un processo di ricottura sotto vuoto spinto per ripulirle, un po' come stirare i capelli, ma con solo il pigmento.

"Abbiamo riscaldato questi film di eumelanina, non più spessi di un batterio, in condizioni di vuoto, da 30 min fino a 6 ore, " descrive Tassini. "Chiamiamo il materiale risultante High Vacuum Annealin Eumelanin, HVAE."

La ricottura ha fatto miracoli per l'eumelanina:i film si sono ridotti di oltre la metà, e ho preso una bella abbronzatura.

"I film HVAE erano ora marrone scuro e spessi come un virus, "Rapporto Tassini.

In modo cruciale, le pellicole non erano state semplicemente bruciate fino a diventare croccanti.

"Tutte le nostre varie analisi concordano sul fatto che questi cambiamenti riflettono la riorganizzazione delle molecole di eumelanina da un orientamento casuale a uno uniforme, stack di condivisione di elettroni. Le temperature di ricottura erano troppo basse per rompere l'eumelanina, e non abbiamo rilevato alcuna combustione al carbonio elementare."

Un miliardo di volte in più della conduttività

Dopo aver ottenuto i cambiamenti strutturali previsti per l'eumelanina, i ricercatori hanno dimostrato la loro ipotesi in modo spettacolare.

"La conduttività dei film è aumentata di miliardi di volte fino a un valore senza precedenti di oltre 300 S/cm, dopo ricottura a 600°C per 2 ore, "Pezzella conferma.

Sebbene sia ben al di sotto della maggior parte dei conduttori metallici, il rame ha una conduttività di circa 6 x 107 S/cm, questa scoperta lancia l'eumelanina in un intervallo utile per la bioelettronica.

Cosa c'è di più, la conduttività dell'HVAE era regolabile in base alle condizioni di ricottura.

"La conduttività dei film aumenta con l'aumentare della temperatura, da 1000 volte a 200°C. Ciò apre la possibilità di personalizzare l'eumelanina per un'ampia gamma di applicazioni nell'elettronica organica e nella bioelettronica. Supporta inoltre fortemente la conclusione dell'analisi strutturale secondo cui la ricottura ha riorganizzato i film, piuttosto che bruciarli."

C'è un potenziale smorzatore:l'immersione dei film in acqua provoca una marcata diminuzione della conduttività.

"Questo contrasta con l'eumelanina non trattata che, anche se in una fascia molto più bassa, diventa più conduttivo con l'idratazione (umidità) perché conduce l'elettricità tramite ioni ed elettroni. Sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere appieno i contributi ionici rispetto a quelli elettronici nella conduttività dell'eumelanina, che potrebbe essere la chiave per come l'eumelanina viene utilizzata praticamente nell'elettronica impiantabile", conclude Pezzella.