Nel futuro, la nostra salute può essere monitorata e mantenuta da minuscoli sensori e distributori di farmaci, distribuito all'interno del corpo e realizzato in grafene, uno dei più forti, materiali più leggeri al mondo. Il grafene è composto da un singolo foglio di atomi di carbonio, legati insieme come un filo di pollo sottile come un rasoio, e le sue proprietà possono essere sintonizzate in innumerevoli modi, rendendolo un materiale versatile per piccoli, impianti di nuova generazione.

Ma il grafene è incredibilmente rigido, mentre il tessuto biologico è morbido. A causa di ciò, qualsiasi potenza applicata per far funzionare un impianto di grafene potrebbe riscaldare precipitosamente e friggere le cellule circostanti.

Ora, gli ingegneri del MIT e della Tsinghua University di Pechino hanno simulato con precisione come l'energia elettrica può generare calore tra un singolo strato di grafene e una semplice membrana cellulare. Mentre il contatto diretto tra i due strati inevitabilmente si surriscalda e uccide la cellula, i ricercatori hanno scoperto di poter prevenire questo effetto con un sottile, strato intermedio d'acqua.

Regolando lo spessore di questo strato d'acqua intermedio, i ricercatori hanno potuto controllare attentamente la quantità di calore trasferita tra il grafene e il tessuto biologico. Hanno anche identificato il potere critico da applicare allo strato di grafene, senza friggere la membrana cellulare. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Co-autore Zhao Qin, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (CEE) del MIT, afferma che le simulazioni del team possono aiutare a guidare lo sviluppo di impianti di grafene e i loro requisiti energetici ottimali.

"Abbiamo fornito molte informazioni, come qual è il potere critico che possiamo accettare che non friggerà la cella, " dice Qin. "Ma a volte potremmo voler aumentare intenzionalmente la temperatura, perché per alcune applicazioni biomediche, vogliamo uccidere le cellule come le cellule cancerose. Questo lavoro può anche essere usato come guida [per quegli sforzi.]"

I coautori di Qin includono Markus Buehler, capo della CEE e McAfee Professor of Engineering, insieme a Yanlei Wang e Zhiping Xu dell'Università Tsinghua.

Modello panino

Tipicamente, il calore viaggia tra due materiali tramite vibrazioni negli atomi di ciascun materiale. Questi atomi vibrano sempre, a frequenze che dipendono dalle proprietà dei loro materiali. Quando una superficie si riscalda, i suoi atomi vibrano ancora di più, causando collisioni con altri atomi e trasferendo calore nel processo.

I ricercatori hanno cercato di caratterizzare con precisione il modo in cui viaggia il calore, a livello dei singoli atomi, tra grafene e tessuto biologico. Per fare questo, hanno considerato l'interfaccia più semplice, composto da un piccolo, Foglio di grafene da 500 nanometri quadrati e una semplice membrana cellulare, separati da un sottile strato d'acqua.

"Nel corpo, l'acqua è ovunque, e alla superficie esterna delle membrane piacerà sempre interagire con l'acqua, quindi non puoi rimuoverlo completamente, " dice Qin. "Così abbiamo inventato un modello a sandwich per il grafene, acqua, e membrana, questo è un sistema cristallino per vedere la conduttanza termica tra questi due materiali."

I colleghi di Qin alla Tsinghua University avevano precedentemente sviluppato un modello per simulare con precisione le interazioni tra gli atomi nel grafene e nell'acqua, utilizzando la teoria del funzionale della densità, una tecnica di modellazione computazionale che considera la struttura degli elettroni di un atomo nel determinare come quell'atomo interagirà con altri atomi.

Però, applicare questa tecnica di modellazione al modello sandwich del gruppo, che comprendeva circa mezzo milione di atomi, avrebbe richiesto una quantità incredibile di potenza di calcolo. Anziché, Qin e i suoi colleghi hanno usato la dinamica molecolare classica, una tecnica matematica basata su una funzione potenziale di "campo di forza", o una versione semplificata delle interazioni tra atomi, che ha permesso loro di calcolare in modo efficiente le interazioni all'interno di sistemi atomici più grandi.

I ricercatori hanno quindi costruito un modello a sandwich di grafene a livello di atomo, acqua, e una membrana cellulare, basato sul campo di forza semplificato del gruppo. Hanno effettuato simulazioni di dinamica molecolare in cui hanno modificato la quantità di potenza applicata al grafene, così come lo spessore dello strato d'acqua intermedio, e osservò la quantità di calore trasportata dal grafene alla membrana cellulare.

Cristalli acquosi

Poiché la rigidità del grafene e del tessuto biologico è così diversa, Qin e i suoi colleghi si aspettavano che il calore conducesse piuttosto male tra i due materiali, accumulandosi ripidamente nel grafene prima di inondare e surriscaldare la membrana cellulare. Però, lo strato d'acqua intermedio ha aiutato a dissipare questo calore, facilitando la sua conduzione e prevenendo un picco di temperatura nella membrana cellulare.

Guardando più da vicino le interazioni all'interno di questa interfaccia, i ricercatori hanno fatto una scoperta sorprendente:all'interno del modello a sandwich, l'acqua, premuto contro il motivo a rete metallica del grafene, trasformata in una struttura simile a un cristallo.

"Il reticolo del grafene agisce come un modello per guidare l'acqua a formare strutture di rete, " Spiega Qin. "L'acqua si comporta più come un materiale solido e rende meno brusco il passaggio di rigidità dal grafene e dalla membrana. Pensiamo che questo aiuti il ​​calore a condurre dal grafene al lato della membrana".

Il gruppo ha variato lo spessore dello strato d'acqua intermedio nelle simulazioni, e hanno scoperto che uno strato d'acqua largo 1 nanometro aiutava a dissipare il calore in modo molto efficace. In termini di potenza applicata al sistema, calcolarono che circa un megawatt di potenza per metro quadrato, applicato in minuscolo, raffiche di microsecondi, era la massima potenza che poteva essere applicata all'interfaccia senza surriscaldare la membrana cellulare.

Qin dice andando avanti, i progettisti di impianti possono utilizzare il modello e le simulazioni del gruppo per determinare i requisiti energetici critici per i dispositivi in ​​grafene di diverse dimensioni. Quanto a come potrebbero praticamente controllare lo spessore dello strato d'acqua intermedio, dice che la superficie del grafene può essere modificata per attirare un particolare numero di molecole d'acqua.

"Penso che il grafene fornisca un candidato molto promettente per i dispositivi impiantabili, " dice Qin. "I nostri calcoli possono fornire conoscenze per la progettazione di questi dispositivi in ​​futuro, per applicazioni specifiche, come sensori, monitor, e altre applicazioni biomediche".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.