I framtiden, vår hälsa kan övervakas och underhållas av små sensorer och läkemedelsautomater, utplacerad i kroppen och gjord av grafen - en av de starkaste, världens lättaste material. Grafen är sammansatt av ett enda ark av kolatomer, kopplade ihop som rakhyvel-tunn kycklingtråd, och dess egenskaper kan ställas in på otaliga sätt, vilket gör det till ett mångsidigt material för små, nästa generations implantat.

Men grafen är otroligt styvt, medan biologisk vävnad är mjuk. På grund av detta, varje kraft som appliceras för att driva ett grafenimplantat kan snabbt värma upp och steka omgivande celler.

Nu, ingenjörer från MIT och Tsinghua University i Peking har exakt simulerat hur elektrisk kraft kan generera värme mellan ett enda lager grafen och ett enkelt cellmembran. Medan direktkontakt mellan de två lagren oundvikligen överhettas och dödar cellen, forskarna fann att de kunde förhindra denna effekt med en mycket tunn, mellan lagret av vatten.

Genom att justera tjockleken på detta mellanliggande vattenskikt, forskarna kunde noggrant kontrollera mängden värme som överförs mellan grafen och biologisk vävnad. De identifierade också den kritiska kraften att tillämpa på grafenlagret, utan att steka cellmembranet. Resultaten publiceras idag i tidskriften Naturkommunikation .

Medförfattare Zhao Qin, en forskare vid MIT:s avdelning för civil- och miljöteknik (CEE), säger att lagets simuleringar kan hjälpa till att styra utvecklingen av grafenimplantat och deras optimala effektbehov.

"Vi har gett mycket insikt, som vilken kritisk kraft vi kan acceptera som inte steker cellen, " säger Qin. "Men ibland kanske vi vill höja temperaturen medvetet, eftersom för vissa biomedicinska tillämpningar, vi vill döda celler som cancerceller. Detta arbete kan också användas som vägledning [för dessa ansträngningar.]"

Qins medförfattare inkluderar Markus Buehler, chef för CEE och McAfee professor i teknik, tillsammans med Yanlei Wang och Zhiping Xu från Tsinghua University.

Smörgås modell

Vanligtvis, värme färdas mellan två material via vibrationer i varje materials atomer. Dessa atomer vibrerar alltid, vid frekvenser som beror på egenskaperna hos deras material. När en yta värms upp, dess atomer vibrerar ännu mer, orsakar kollisioner med andra atomer och överför värme i processen.

Forskarna försökte exakt karakterisera hur värmen färdas, på nivån av enskilda atomer, mellan grafen och biologisk vävnad. Att göra detta, de ansåg det enklaste gränssnittet, bestående av en liten, 500 nanometer kvadratiskt ark av grafen och ett enkelt cellmembran, separeras av ett tunt lager vatten.

"I kroppen, vatten finns överallt, och den yttre ytan av membran kommer alltid att vilja interagera med vatten, så du kan inte ta bort det helt, " säger Qin. "Så vi kom på en sandwichmodell för grafen, vatten, och membran, det är ett kristallklart system för att se den termiska konduktansen mellan dessa två material."

Qins kollegor vid Tsinghua University hade tidigare utvecklat en modell för att exakt simulera interaktionen mellan atomer i grafen och vatten, med densitetsfunktionsteori – en beräkningsmodelleringsteknik som tar hänsyn till strukturen hos en atoms elektroner för att bestämma hur den atomen kommer att interagera med andra atomer.

Dock, att tillämpa denna modelleringsteknik på gruppens sandwichmodell, som omfattade ungefär en halv miljon atomer, skulle ha krävt otroligt mycket beräkningskraft. Istället, Qin och hans kollegor använde klassisk molekylär dynamik - en matematisk teknik baserad på en "kraftfält" potentiell funktion, eller en förenklad version av interaktionerna mellan atomer - som gjorde det möjligt för dem att effektivt beräkna interaktioner inom större atomsystem.

Forskarna byggde sedan en sandwichmodell på atomnivå av grafen, vatten, och ett cellmembran, baserat på gruppens förenklade kraftfält. De utförde molekylära dynamiksimuleringar där de ändrade mängden effekt som tillfördes grafen, såväl som tjockleken på det mellanliggande vattenskiktet, och observerade mängden värme som överfördes från grafenet till cellmembranet.

Vattenhaltiga kristaller

Eftersom styvheten hos grafen och biologisk vävnad är så olika, Qin och hans kollegor förväntade sig att värme skulle leda ganska dåligt mellan de två materialen, byggs upp brant i grafenet innan cellmembranet översvämmas och överhettas. Dock, det mellanliggande vattenskiktet hjälpte till att avleda denna värme, underlättar dess ledning och förhindrar en temperaturökning i cellmembranet.

Om vi ​​tittar närmare på interaktionerna inom detta gränssnitt, forskarna gjorde en överraskande upptäckt:Inom sandwichmodellen, vattnet, pressad mot grafens hönsnätsmönster, förvandlats till en liknande kristallliknande struktur.

"Graphens gitter fungerar som en mall för att styra vattnet för att bilda nätverksstrukturer, " Qin förklarar. "Vattnet fungerar mer som ett fast material och gör styvhetsövergången från grafen och membran mindre abrupt. Vi tror att detta hjälper värme att leda från grafen till membransidan. "

Gruppen varierade tjockleken på det mellanliggande vattenskiktet i simuleringar, och fann att ett 1 nanometer brett vattenlager hjälpte till att avleda värme mycket effektivt. När det gäller den effekt som tillförs systemet, de beräknade att ungefär en megawatt effekt per kvadratmeter, appliceras i liten, mikrosekund bursts, var den mest kraft som kunde appliceras på gränssnittet utan att överhetta cellmembranet.

Qin säger framåt, implantatdesigners kan använda gruppens modell och simuleringar för att bestämma de kritiska effektkraven för grafenenheter med olika dimensioner. När det gäller hur de praktiskt kan kontrollera tjockleken på det mellanliggande vattenskiktet, han säger att grafens yta kan modifieras för att attrahera ett visst antal vattenmolekyler.

"Jag tror att grafen är en mycket lovande kandidat för implanterbara enheter, " säger Qin. "Våra beräkningar kan ge kunskap för att designa dessa enheter i framtiden, för specifika applikationer, som sensorer, monitorer, och andra biomedicinska tillämpningar."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.