El pigmento marrón oscuro de la melanina, la eumelanina, da color al cabello y a los ojos, y protege nuestra piel de los daños del sol. Desde hace tiempo se sabe que también conduce la electricidad, pero en una cantidad demasiado pequeña para cualquier aplicación útil; hasta ahora.
En un estudio histórico publicado en Frontiers in Chemistry, investigadores italianos modificaron sutilmente la estructura de la eumelanina calentándola en vacío.
«Nuestro proceso produjo un aumento de mil millones de veces en la conductividad eléctrica de la eumelanina», afirman los autores principales del estudio Dr. Alessandro Pezzella de la Universidad Federico II de Nápoles y Dr. Paolo Tassini de la Agencia Nacional Italiana para las Nuevas Tecnologías, la Energía y el Desarrollo Económico Sostenible. «Esto hace posible el diseño, tanto tiempo esperado, de electrónica basada en melanina, que puede utilizarse en dispositivos implantados gracias a la biocompatibilidad del pigmento.»
La eumelanina es un conductor biocompatible
Un joven Pezzella aún no había empezado la escuela cuando los científicos descubrieron por primera vez que un tipo de melanina puede conducir la electricidad. El entusiasmo por el descubrimiento creció rápidamente porque la eumelanina – el pigmento marrón oscuro presente en el cabello, la piel y los ojos – es totalmente biocompatible.
«Las melaninas se encuentran de forma natural en prácticamente todas las formas de vida. No son tóxicas y no provocan una reacción inmunitaria», explica Pezzella. «En el medio ambiente, además, son completamente biodegradables.»
Décadas después, y pese a las amplias investigaciones sobre la estructura de la melanina, nadie ha logrado aprovechar su potencial en la electrónica implantable.
«Hasta la fecha, la conductividad de la eumelanina, tanto sintética como natural, ha sido demasiado baja para aplicaciones valiosas», añade.
Algunos investigadores intentaron aumentar la conductividad de la eumelanina combinándola con metales o sobrecalentándola hasta convertirla en un material similar al grafeno, pero lo que obtuvieron no era realmente el material conductor biocompatible prometido.
Decididos a encontrar la verdadera solución, el grupo napolitano examinó la estructura de la eumelanina.
«Todos los análisis químicos y físicos de la eumelanina muestran el mismo panorama: láminas moleculares que comparten electrones, apiladas de forma desordenada. La respuesta parecía obvia: ordenar las pilas y alinear las láminas para que todas puedan compartir electrones; entonces fluirá la electricidad.»
El tratamiento térmico alisa el pigmento del cabello
Este proceso, denominado recocido, ya se utiliza para aumentar la conductividad eléctrica y otras propiedades de materiales como los metales.
Por primera vez, los investigadores sometieron películas de eumelanina sintética a un proceso de recocido en alto vacío para ordenarlas, algo parecido al alisado del cabello, pero solo con el pigmento.
«Calentamos estas películas de eumelanina – no más gruesas que una bacteria – en condiciones de vacío, durante periodos de 30 minutos a 6 horas», describe Tassini. «Denominamos al material resultante eumelanina recocida en alto vacío, HVAE.»
El recocido surtió efectos extraordinarios en la eumelanina: las películas se redujeron a menos de la mitad de su grosor y adquirieron un tono bastante bronceado.
«Las películas de HVAE pasaron a ser de color marrón oscuro y tan gruesas como un virus», informa Tassini.
Lo crucial es que las películas no se habían quemado simplemente hasta quedar carbonizadas.
«Todos nuestros análisis coinciden en que estos cambios reflejan la reorganización de las moléculas de eumelanina, desde una orientación aleatoria hasta una pila uniforme que comparte electrones. Las temperaturas de recocido fueron demasiado bajas para descomponer la eumelanina, y no detectamos combustión hasta carbono elemental.»
Un aumento de mil millones de veces en la conductividad
Tras haber logrado los cambios estructurales previstos en la eumelanina, los investigadores demostraron su hipótesis de forma espectacular.
«La conductividad de las películas aumentó mil millones de veces hasta alcanzar un valor sin precedentes de más de 300 S/cm, tras el recocido a 600°C durante 2 horas», confirma Pezzella.
Aunque está muy por debajo de la mayoría de los conductores metálicos –el cobre tiene una conductividad de alrededor de 6 x 107 S/cm–, este hallazgo sitúa a la eumelanina en un rango útil para la bioelectrónica.
Además, la conductividad del HVAE podía ajustarse según las condiciones del recocido.
«La conductividad de las películas aumentó con la temperatura, desde un aumento de 1000 veces a 200°C. Esto abre la posibilidad de adaptar la eumelanina a una amplia gama de aplicaciones en la electrónica orgánica y la bioelectrónica. Asimismo, respalda con firmeza la conclusión del análisis estructural de que el recocido reorganizó las películas, en lugar de quemarlas.»
Existe un posible inconveniente: la inmersión de las películas en agua provoca una marcada disminución de la conductividad.
«Esto contrasta con la eumelanina sin tratar, que, aunque en un rango mucho menor, se vuelve más conductora con la hidratación (humedad) porque conduce la electricidad mediante iones además de electrones. Se necesita más investigación para comprender plenamente las contribuciones iónicas frente a las electrónicas en la conductividad de la eumelanina, lo que podría ser clave para su uso práctico en la electrónica implantable.» concluye Pezzella.
