Le pigment mélanique brun foncé, eumélanine, colore les cheveux et les yeux, et protège notre peau des méfaits du soleil. Il est également connu depuis longtemps pour conduire l'électricité, mais trop peu pour toute application utile—jusqu'à maintenant.

Dans une étude marquante publiée dans Frontières en chimie , Des chercheurs italiens ont subtilement modifié la structure de l'eumélanine en la chauffant sous vide.

"Notre procédé a produit une augmentation d'un milliard de fois de la conductivité électrique de l'eumélanine, " disent les auteurs principaux de l'étude, le Dr Alessandro Pezzella de l'Université de Naples Federico II et le Dr Paolo Tassini de l'Agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, Énergie et développement économique durable. "Cela rend possible la conception tant attendue d'électronique à base de mélanine, qui peut être utilisé pour les dispositifs implantés en raison de la biocompatibilité du pigment."

L'eumélanine est un conducteur biocompatible

Un jeune Pezzella n'avait même pas commencé l'école lorsque les scientifiques ont découvert pour la première fois qu'un type de mélanine peut conduire l'électricité. L'excitation a rapidement augmenté autour de la découverte parce que l'eumélanine, le pigment brun foncé présent dans les cheveux, la peau et les yeux—est entièrement biocompatible.

« Les mélanines sont présentes naturellement dans pratiquement toutes les formes de vie. Elles sont non toxiques et ne déclenchent pas de réaction immunitaire, " explique Pezzella. " Dans l'environnement, ils sont également complètement biodégradables."

Des décennies plus tard, et malgré des recherches approfondies sur la structure de la mélanine, personne n'a réussi à exploiter son potentiel dans l'électronique implantable.

"À ce jour, la conductivité de l'eumélanine synthétique et naturelle a été beaucoup trop faible pour des applications intéressantes, " il ajoute.

Certains chercheurs ont tenté d'augmenter la conductivité de l'eumélanine en la combinant avec des métaux, ou en le surchauffant dans un matériau semblable au graphène, mais ce qui leur restait n'était pas vraiment le matériau conducteur biocompatible promis.

Déterminé à trouver la vraie affaire, le groupe napolitain a considéré la structure de l'eumélanine.

« Toutes les analyses chimiques et physiques de l'eumélanine brossent le même tableau :des feuilles moléculaires à partage d'électrons, empilés en désordre. La réponse semblait évidente :ranger les piles et aligner les feuilles, afin qu'ils puissent tous partager des électrons, alors l'électricité circulera."

Le traitement thermique redresse la pigmentation des cheveux

Ce processus, appelé recuit, est déjà utilisé pour augmenter la conductivité électrique et d'autres propriétés dans des matériaux tels que les métaux.

Pour la première fois, les chercheurs ont soumis des films d'eumélanine synthétique à un processus de recuit sous vide poussé pour les nettoyer, un peu comme le lissage des cheveux, mais avec seulement le pigment.

"Nous avons chauffé ces films d'eumélanine - pas plus épais qu'une bactérie - sous vide, de 30 min à 6 heures, " décrit Tassini. "Nous appelons le matériau résultant Eumélanine recuite sous vide poussé, HVAE."

Le recuit a fait des merveilles pour l'eumélanine :les films allégés de plus de moitié, et pris un bon bronzage.

"Les films HVAE étaient maintenant brun foncé et à peu près aussi épais qu'un virus, " rapporte Tassini.

Surtout, les films n'avaient pas simplement été brûlés.

"Toutes nos différentes analyses s'accordent sur le fait que ces changements reflètent une réorganisation des molécules d'eumélanine d'une orientation aléatoire à une orientation uniforme, pile de partage d'électrons. Les températures de recuit étaient trop basses pour briser l'eumélanine, et nous n'avons détecté aucune combustion au carbone élémentaire."

Une conductivité multipliée par un milliard

Ayant réalisé les changements structurels prévus pour l'eumélanine, les chercheurs ont prouvé leur hypothèse de façon spectaculaire.

"La conductivité des films a été multipliée par un milliard pour atteindre une valeur sans précédent de plus de 300 S/cm, après recuit à 600°C pendant 2 heures, " confirme Pezzella.

Bien qu'il soit bien en deçà de la plupart des conducteurs métalliques (le cuivre a une conductivité d'environ 6 x 107 S/cm), cette découverte lance l'eumélanine dans une plage utile pour la bioélectronique.

Quoi de plus, la conductivité de HVAE était réglable en fonction des conditions de recuit.

"La conductivité des films augmente avec l'augmentation de la température, de 1000 fois à 200°C. Cela ouvre la possibilité d'adapter l'eumélanine à un large éventail d'applications en électronique organique et en bioélectronique. Il soutient également fortement la conclusion de l'analyse structurelle que le recuit a réorganisé les films, plutôt que de les brûler."

Il existe un amortisseur potentiel :l'immersion des films dans l'eau entraîne une diminution marquée de la conductivité.

"Cela contraste avec l'eumélanine non traitée qui, bien que dans une fourchette beaucoup plus basse, devient plus conducteur avec l'hydratation (humidité) car il conduit l'électricité via les ions ainsi que les électrons. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour bien comprendre les contributions ioniques et électroniques dans la conductivité de l'eumélanine, ce qui pourrait être la clé de l'utilisation pratique de l'eumélanine dans l'électronique implantable." conclut Pezzella.