Det mörkbruna melaninpigmentet, eumelanin, färger hår och ögon, och skyddar vår hud mot solskador. Det har också länge varit känt att leda elektricitet, men för lite för någon användbar applikation - tills nu.

I en landmärkesstudie publicerad i Gränser i kemi , Italienska forskare modifierade subtilt strukturen för eumelanin genom att värma det i vakuum.

"Vår process resulterade i en miljard gånger ökning av eumelanins elektriska konduktivitet, "säger studiens seniorförfattare Dr Alessandro Pezzella vid universitetet i Neapel Federico II och Dr Paolo Tassini från italienska National Agency for New Technologies, Energi och hållbar ekonomisk utveckling. "Detta möjliggör den efterlängtade designen av melaninbaserad elektronik, som kan användas för implanterade enheter på grund av pigmentets biokompatibilitet. "

Eumelanin är en biokompatibel ledare

En ung Pezzella hade inte ens börjat skolan när forskare först upptäckte att en typ av melanin kan leda elektricitet. Spänningen steg snabbt kring upptäckten eftersom eumelanin - det mörkbruna pigmentet som finns i håret, hud och ögon - är helt biokompatibel.

"Melaniner förekommer naturligt i praktiskt taget alla former av liv. De är giftfria och framkallar ingen immunreaktion, "förklarar Pezzella." Ute i miljön, de är också helt biologiskt nedbrytbara. "

Årtionden senare, och trots omfattande forskning om melanins struktur, ingen har lyckats utnyttja sin potential inom implanterbar elektronik.

"Hittills, konduktiviteten hos syntetiska såväl som naturliga eumelanin har varit alldeles för låg för värdefulla applikationer, " han lägger till.

Vissa forskare försökte öka eumelanins konduktivitet genom att kombinera det med metaller, eller överhetta den till ett grafenliknande material-men det de stod kvar var inte riktigt det biokompatibla ledande materialet som utlovades.

Fast besluten att hitta den verkliga affären, den napolitanska gruppen betraktade strukturen för eumelanin.

"Alla kemiska och fysiska analyser av eumelanin målar upp samma bild-av elektrondelande molekylark, staplade rörigt ihop. Svaret verkade självklart:städa staplarna och rikta in arken, så att de alla kan dela elektroner - då kommer strömmen att flyta. "

Värmebehandling rätar ut hårpigment

Denna process, kallas glödgning, används redan för att öka elektrisk konduktivitet och andra egenskaper i material som metaller.

För första gången, forskarna lägger filmer av syntetiskt eumelanin genom en glödgningsprocess under högt vakuum för att städa upp dem - lite som hårrätning, men bara med pigmentet.

"Vi värmde dessa eumelaninfilmer - inte tjockare än en bakterie - under vakuumförhållanden, från 30 minuter upp till 6 timmar, "beskriver Tassini." Vi kallar det resulterande materialet High Vacuum Glödgat Eumelanin, HVAE. "

Glödgningen gjorde underverk för eumelanin:filmerna bantades med mer än hälften, och fick en ganska solbränna.

"HVAE -filmerna var nu mörkbruna och ungefär lika tjocka som ett virus, "Rapporterar Tassini.

Avgörande, filmerna hade inte bara bränts till en skarp.

"Alla våra olika analyser är överens om att dessa förändringar återspeglar omorganisation av eumelaninmolekyler från en slumpmässig orientering till en uniform, elektrondelningsstack. Glödgningstemperaturerna var för låga för att bryta upp eumelaninet, och vi upptäckte ingen förbränning till elementärt kol. "

En miljarder gånger ökning av konduktiviteten

Efter att ha uppnått de avsedda strukturella förändringarna av eumelanin, forskarna bevisade sin hypotes på ett spektakulärt sätt.

"Filmernas konduktivitet ökade miljarder gånger till ett oöverträffat värde på över 300 S/cm, efter glödgning vid 600 ° C i 2 timmar, "Pezzella bekräftar.

Även om det är långt ifrån de flesta metallledare - koppar har en konduktivitet på cirka 6 x 107 S/cm - lanserar detta fynd eumelanin väl in i ett användbart område för bioelektronik.

Vad mer, konduktiviteten för HVAE var avstämbar enligt glödgningsbetingelserna.

"Filmernas konduktivitet ökade med stigande temperatur, från 1000 gånger vid 200 ° C. Detta öppnar möjligheten att skräddarsy eumelanin för ett brett spektrum av tillämpningar inom organisk elektronik och bioelektronik. Det stöder också starkt slutsatsen från strukturanalysen att glödgning omorganiserade filmerna, snarare än att bränna dem. "

Det finns en potentiell dämpare:nedsänkning av filmerna i vatten resulterar i en markant minskning av konduktiviteten.

"Detta står i kontrast till obehandlat eumelanin som, om än i ett mycket lägre intervall, blir mer ledande med hydrering (luftfuktighet) eftersom den leder elektricitet både via joner och elektroner. Ytterligare forskning behövs för att fullt ut förstå de joniska kontra elektroniska bidrag inom eumelanin konduktivitet, vilket kan vara nyckeln till hur eumelanin praktiskt taget används i implanterbar elektronik. "avslutar Pezzella.