À l'avenir, notre santé peut être surveillée et maintenue par de minuscules capteurs et distributeurs de médicaments, déployé dans le corps et fabriqué à partir de graphène, l'un des plus forts, matériaux les plus légers au monde. Le graphène est composé d'une seule feuille d'atomes de carbone, reliés entre eux comme du grillage à poules comme un rasoir, et ses propriétés peuvent être réglées d'innombrables façons, ce qui en fait un matériau polyvalent pour les petits, implants de nouvelle génération.

Mais le graphène est incroyablement rigide, alors que le tissu biologique est mou. À cause de ce, toute puissance appliquée pour faire fonctionner un implant de graphène pourrait rapidement chauffer et faire frire les cellules environnantes.

Maintenant, des ingénieurs du MIT et de l'université Tsinghua de Pékin ont simulé avec précision comment l'énergie électrique peut générer de la chaleur entre une seule couche de graphène et une simple membrane cellulaire. Alors que le contact direct entre les deux couches surchauffe inévitablement et tue la cellule, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient empêcher cet effet avec un très mince, couche intermédiaire d'eau.

En ajustant l'épaisseur de cette couche d'eau intermédiaire, les chercheurs ont pu contrôler soigneusement la quantité de chaleur transférée entre le graphène et les tissus biologiques. Ils ont également identifié la puissance critique à appliquer à la couche de graphène, sans faire frire la membrane cellulaire. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Communication Nature .

Co-auteur Zhao Qin, chercheur au Département de génie civil et environnemental (CEE) du MIT, affirme que les simulations de l'équipe peuvent aider à guider le développement d'implants en graphène et leurs besoins optimaux en énergie.

"Nous avons fourni beaucoup d'informations, comme quelle est la puissance critique que nous pouvons accepter qui ne fera pas frire la cellule, " Qin dit. " Mais parfois, nous pouvons vouloir augmenter intentionnellement la température, car pour certaines applications biomédicales, nous voulons tuer des cellules comme les cellules cancéreuses. Ce travail peut également être utilisé comme guide [pour ces efforts.]"

Les co-auteurs de Qin incluent Markus Buehler, directeur du CEE et professeur d'ingénierie McAfee, avec Yanlei Wang et Zhiping Xu de l'Université Tsinghua.

Modèle sandwich

Typiquement, la chaleur se déplace entre deux matériaux via des vibrations dans les atomes de chaque matériau. Ces atomes sont toujours en vibration, à des fréquences qui dépendent des propriétés de leurs matériaux. Lorsqu'une surface se réchauffe, ses atomes vibrent encore plus, provoquant des collisions avec d'autres atomes et transférant de la chaleur dans le processus.

Les chercheurs ont cherché à caractériser avec précision la façon dont la chaleur se déplace, au niveau des atomes individuels, entre le graphène et le tissu biologique. Pour faire ça, ils considéraient l'interface la plus simple, comprenant un petit, Feuille de graphène de 500 nanomètres carrés et une simple membrane cellulaire, séparés par une fine couche d'eau.

"Dans le corps, l'eau est partout, et la surface extérieure des membranes aimera toujours interagir avec l'eau, donc vous ne pouvez pas le supprimer totalement, " Qin dit. " Nous avons donc proposé un modèle sandwich pour le graphène, l'eau, et membrane, c'est un système limpide pour voir la conductance thermique entre ces deux matériaux."

Les collègues de Qin à l'université de Tsinghua avaient déjà développé un modèle pour simuler avec précision les interactions entre les atomes du graphène et de l'eau, en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité - une technique de modélisation informatique qui considère la structure des électrons d'un atome pour déterminer comment cet atome interagira avec d'autres atomes.

Cependant, appliquer cette technique de modélisation au modèle sandwich du groupe, qui comprenait environ un demi-million d'atomes, aurait nécessité une puissance de calcul incroyable. Au lieu, Qin et ses collègues ont utilisé la dynamique moléculaire classique, une technique mathématique basée sur une fonction potentielle de « champ de force », ou une version simplifiée des interactions entre atomes, qui leur a permis de calculer efficacement les interactions au sein de systèmes atomiques plus grands.

Les chercheurs ont ensuite construit un modèle sandwich au niveau de l'atome de graphène, l'eau, et une membrane cellulaire, basé sur le champ de force simplifié du groupe. Ils ont réalisé des simulations de dynamique moléculaire dans lesquelles ils ont modifié la quantité de puissance appliquée au graphène, ainsi que l'épaisseur de la couche d'eau intermédiaire, et observé la quantité de chaleur transférée du graphène à la membrane cellulaire.

Cristaux aqueux

Parce que la rigidité du graphène et du tissu biologique est si différente, Qin et ses collègues s'attendaient à ce que la chaleur conduise plutôt mal entre les deux matériaux, s'accumulant fortement dans le graphène avant d'inonder et de surchauffer la membrane cellulaire. Cependant, la couche d'eau intermédiaire a aidé à dissiper cette chaleur, facilitant sa conduction et empêchant un pic de température dans la membrane cellulaire.

En regardant de plus près les interactions au sein de cette interface, les chercheurs ont fait une découverte surprenante :dans le modèle sandwich, l'eau, pressé contre le motif de grillage de graphène, transformé en une structure cristalline similaire.

"Le treillis de graphène agit comme un modèle pour guider l'eau pour former des structures de réseau, " Qin explique. " L'eau agit plus comme un matériau solide et rend la transition de rigidité entre le graphène et la membrane moins abrupte. Nous pensons que cela aide la chaleur à conduire du graphène vers le côté membrane."

Le groupe a fait varier l'épaisseur de la couche d'eau intermédiaire dans les simulations, et a découvert qu'une couche d'eau d'un nanomètre de large aidait à dissiper la chaleur de manière très efficace. En termes de puissance appliquée au système, ils ont calculé qu'environ un mégawatt de puissance par mètre carré, appliqué en minuscule, rafales de microsecondes, était la plus grande puissance qui pouvait être appliquée à l'interface sans surchauffer la membrane cellulaire.

Qin dit d'aller de l'avant, Les concepteurs d'implants peuvent utiliser le modèle et les simulations du groupe pour déterminer les exigences de puissance critiques pour les dispositifs au graphène de différentes dimensions. Quant à savoir comment ils pourraient pratiquement contrôler l'épaisseur de la couche d'eau intermédiaire, il dit que la surface du graphène peut être modifiée pour attirer un nombre particulier de molécules d'eau.

"Je pense que le graphène est un candidat très prometteur pour les dispositifs implantables, " Qin dit. "Nos calculs peuvent fournir des connaissances pour la conception de ces appareils à l'avenir, pour des applications spécifiques, comme des capteurs, moniteurs, et d'autres applications biomédicales."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.