真黑素就能更好地导电,来增加真黑素的电导率

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北京时间4月6日消息,据国外媒体报道,科学家很早之前就知道,真黑素赋予人体皮肤、毛发和眼睛颜色的色素可以导电。但是,天然形式的真黑素并不具有足可以利用的导电性,也没有人知道如何提到它的导电性。

意大利纳米材料与器件实验室的Paolo
Tassini及其同事发表了一项研究报告,黑色素的三种基本类型之一 –
真黑素的电导率突然增加。

近日的一项新研究改变了这一现状。在发表于《化学前沿》期刊的一篇论文中,意大利的一个跨学科研究团队描述了可以显著提高真黑素电导率的突破性过程。

尽管自1974年以来已知黑色素的电导率潜力,但合成和天然黑色素的有价值的应用一直难以开发。正如那不勒斯弗雷德里科二世大学的Alessandro
Pezzella博士所解释的那样,这是由于黑色素的电导率太低。研究人员试图通过将金属蛋白与金属配对,或者将其加热成类似于石墨烯的材料,来增加真黑素的电导率。然而,与真黑素不同,由这些实验产生的材料不是完全生物相容的。

研究作者、那不勒斯腓特烈二世大学的有机化学家亚历桑德罗佩泽拉说:这是一块踏脚石,一段漫长的过程将由此开启。

黑色素几乎在所有生命形式中自然发生。它们无毒,不会引发免疫反应。在环境中,它们也是完全可生物降解的。

人类和其他生物体不会对真黑素产生反应,这意味着它可以用来涂覆医疗植入物或其他可能进入人体的装置。不过,天然形式的真黑素在分子水平上太过规整,导电效率不高。在此前的研究中,如果没有添加金属或其他化学物质的话,就无法改善真黑素的导电性,但这些物质会被身体视为外来物。为了在不添加外部因子的情况下提高真黑素的导电性,佩泽拉和他的同事们开发了一个组织分子的过程,使电荷可以从一个电子流向另一个电子。

Alessandro Pezzella博士,资深作者

共同作者、意大利国家新技术、能源和可持续经济发展局的电气工程师保罗塔西尼介绍称,这一过程基本上是在真空中加热。通过这种方式,你可以完全去除氧气和水蒸气,没有了额外的分子,真黑素就能更好地导电。

着眼于真黑素的结构,意大利国家新技术,能源和可持续经济发展局的Pezzella和Paolo
Tassini博士的研究高级作者使用了一种称为退火的过程,试图提高真黑素的电导率。

塔西尼表示,这一过程使真黑素转变为真正的导体,其电导率提高了9个数量级以上。研究人员将他们获得的结果称为高真空退火真黑素。

退火是一种通常用于冶金和材料科学的热处理工艺,它改变材料的物理性质,以消除内部应力并降低硬度,使材料更易于加工和更具延展性。

然而,真黑素依然是一种色素。佩泽拉表示,金属具有完全不同的电导率范围,而HAVE的导电性要弱得多。不过,这是第一次使真黑素能够用于生物电子学领域。

研究人员在高真空条件下将退火过程应用于合成的黑色素膜,时间为30分钟至6小时。所产生的后续材料被研究小组称为高真空退火的真黑素,HVAE。

美国加州大学伯克利分校的材料科学家菲利普梅瑟史密斯说:我认为这项工作非常重要。他并未参与该研究。不过他也指出,研究人员仍然要面对许多未解决的问题和挑战。一个很大的问题是,当暴露于水中时,真黑素会失去导电性,此时HAVE的导电性也会大大减弱。这将给真黑素在人体内部的应用带来挑战,因为人体大部分由水组成。未来的研究或许能让真黑素变得更有适应性。我不认为这是一个不可逾越的挑战,梅瑟史密斯说道。

真黑素的所有化学和物理分析都描绘了相同的图片 –
电子共享分子片,杂乱地堆叠在一起。答案似乎显而易见:堆叠并对齐板材,这样它们都可以共享电子

佩泽拉表示,他们下一步的工作是创造一个非常简单的架构,由HAVE制成,就像一张薄膜。未来这张薄膜或许将涂覆在人体内使用的电子设备上,但这还有很长的路要走。

  • 然后电流就会流动。

当研究人员尝试在真空环境中加热真黑素时,他们不知道会发生什么。540摄氏度左右的高温并没有简单地烧毁这些色素,相反,这使真黑素的密度变得更高,就像一个铝箔球被挤压得越来越紧密。我们对所发现的一切感到非常高兴,塔西尼说道。

Pezzella和Tassini描述了使用这种新方法的成功:

我们的工艺使真黑素的电导率增加了十亿倍。这使人们可以期待设计基于黑色素的电子产品,由于颜料的生物相容性,可以用于植入设备。

Alessandro Pezzella博士,资深作者

尽管真黑素膜的电导率增加到超过300S /
cm的前所未有的值,但铜具有更高的电导率,为610 7 S /
cm,这限制了基于真黑素的生物电子学可用于的应用。

该研究本身承认对于有价值的应用,还需要更高的电导率值,因此一些研究探索了真黑素与其他更导电材料的整合。

另外,当真黑素膜与水接触时,电导率显着降低,当考虑到人体的水含量达到60%时,这是一个显着的缺点。

Pezzella指出:这与未经处理的真黑素形成对比,后者虽然在更低的范围内,但随着水合作用(湿度)变得更具导电性,因为它通过离子和电子传导电能。需要进一步研究以充分了解真黑素电导率中离子与电子的贡献,这可能是真核苷酸如何在植入式电子产品中实际应用的关键。

基于真黑素的生物电子学的可能应用包括替换用于治疗癫痫和帕金森病的脑植入物。生物电子学的开发人员面临的主要挑战是寻找能够传导电子和离子的材料,因为人体中的大量过程使用离子信号。

其他考虑基于黑色素的生物电子学的研究已经开始使用与电接触,pH传感器和光伏电池中的生物黑色素非常相似的材料。

电子行业也在寻找更便宜和环保的新材料。由于黑色素是完全可生物降解的和生物相容的,它们在临床应用和环境方面的优势以及它们在医疗设备和传感器中的潜力是显而易见的。

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