На картинке представлена модель структуры графена под слоем воды. Фото Зао Кина. В будущем наше здоровье может контролироваться и поддерживаться при помощи крошечных сенсоров и дозаторов препаратов, установленных в теле человека и изготовленных из графена – одного из самых прочных и крошечных материалов в мире. Графен состоит из одного слоя атомов углерода, соединенных вместе, как тонкая проволочная сетка и его свойства могут контролироваться, делая его универсальным материалом для крошечных имплантов следующего поколения.

Но графен невероятно жесткий материал, в то время как биологическая ткань мягкая. В связи с этим, любое электрическое напряжение, используемое для установки графеновых имплантов, может нагреть и обжечь окружающие клетки.

На данный момент инженеры Массачусетского технологического университета (МТУ) и Цингайского университета в Пекине достаточно точно сымитировали как электрический ток может сгенерировать тепло между тонким слоем графена и простейшей клеточной мембраной. Во время прямого контакта между 2 слоями неизбежно происходит перегрев и смерть живых клеток. Однако исследователи выяснили, что могут предотвратить этот эффект с помощью очень тонкого промежуточного слоя воды.

Изменяя толщину этого слоя воды, исследователи смогли бы мягко контролировать количество тепла, которое распределяется между графеном и биологической тканью. Они также установили какое напряжения можно применить к слою графена без повреждения клеточной мембраны. Их результаты напечатаны в NatureCommunications

Со-автор Зао Кина исследователь кафедры МТУ гражданской инженерии и окружающей среды (ГИИОС) утверждает, что исследования группы ученых могли бы помочь в развитии имплантов из графена и вычислить оптимальные напряжения для процесса их установки.

«Мы глубоко проникли в суть вопроса и выяснили какое максимальное напряжение можно применять, чтобы не поджарить клетку». Кин говорит: «Но иногда нам будет необходимо целенаправленно увеличивать температуру, поскольку для некоторых медицинских задач нам придется уничтожать клетки, например, раковые. Эти результаты также могут быть использованы как технические рекомендации для определения необходимого напряжения при интегрировании имплантов». Соавторы Кина – Маркус Бехлер, профессор инженерии и глава (ГИИОС), вместе с Янли Ванг и Зиппин Ху в Цингайском университете.

Теплое вещество отличается от холодного скоростью движения его атомов. Тепло продвигается в материале и между материалами посредством вибрации атомов. Более теплые атомы имеют большую скорость и сталкиваясь с более холодными передают им часть этой скорости тем самым увеличивая температуру более холодных атомов и уменьшая свою.

Исследователи пытались точно охарактеризовать способ передачи тепла количеством отдельных атомов между графеном и биологической тканью. Для воспроизведения технологического процесса был разработан простейший интерфейс, включающий мельчайший 500нм кв. лист графена и простейшую мембранную сетку, разделенных тонким слоем воды.

«В человеческом теле вода повсюду и поверхность мембран всегда будет взаимодействовать с водой, поэтому вы не сможете полностью ее изъять», говорит Кин, - «Поэтому мы подошли к бутербродной модели графена, воды и мембраны, которые являются идеальной системой для отображения электропроводимости между этими двумя материалами».

Коллеги Кина в Цингайском университете предварительно разработали модель точной симуляции взаимодействия между атомами графена и воды, используя теорию функциональной плотности воды. Представлена вычислительная техника моделирования, которая рассматривает структуру электронов атома в процессе определения образа взаимодействия атомов между собой.

Однако, чтобы применить эту технику моделирования к комплексному бутербродному приёму, включающему порядка полумиллиона атомов, потребовались бы очень большие вычислительные мощности. Вместо этого Кин и его коллеги использовали классическую молекулярную динамику – математический метод, основанный на основной функции силового поля и описывающий теоретическую упрощённую версию взаимодействия между атомами, которая позволила им эффективно подсчитать взаимодействия атомов внутри больших атомных систем.

Исследователи спроектировали атомно-уровневую модель бутерброда, состоящего из графена, воды и клеточной мембраны, которая основывалась на упрощенном силовом поле группы молекул. Используя математические расчеты была проведена симуляция молекулярной динамики при различных уровнях напряжения, применяемых к графену и различной толщиной промежуточного слоя воды. Зафиксированы результаты в виде количества тепла, переходящего от графена к клеточной мембране.

Благодаря жёсткости графена и тому, что биологические ткани имеют различные свойства теплопроводности, Кин и его коллеги ожидали, что тепло достаточно медленно будет распределяться между двумя материалами, задерживаясь в графене перед переходом и перегревом клеточной мембраны. Однако промежуточный слой воды помог перераспределить это тепло, увеличив тем самым его проводимость и предотвратив температурный скачок в клеточной мембране.

Взглянув более детально на передачу тепла внутри бутербродной модели, исследователи сделали неожиданное открытие: при давлении сетки графена на воду, последняя принимала подобную кристаллическую структуру атомов.

«Решётка графена ведет себя, как шаблон, чтобы заставить воду сформировать сетевые структуры», поясняет Кин, - «Вода ведёт себя, как более плотный материал и переход прочности от графена к мембране производится менее внезапно. Мы полагаем, что это помогает теплу проходить из графена в мембрану».

Группа варьировала толщину промежуточного слоя воды в опытах и обнаружила, что толщина водного слоя в 1 нм помогала рассеивать тепло более эффективно. В условиях применения напряжения к системе, они посчитали, что около мегаватта напряжения на каждый кв.м., применяемого в крошечных микросекундных всплесках, было максимальное напряжение, которое могло быть применено в интерфейсе без перегрева клеточной мембраны. 

Кин утверждает, что разработчики имплантов могли бы воспользоваться групповой моделью симуляций для определения требований критического напряжения для изделий из графена различных размеров. На практике есть возможность контроля толщины промежуточного водного слоя - поверхность графена модифицируется и корректирует количества молекул воды. 

«Я полагаю, что графен обеспечит будущее для будущих имплантов», говорит Кин, - «Наши расчёты могут обеспечить базу знаний для описания этих изделий в будущем для специфических применений, как, к примеру, сенсоры, мониторы и другие биометрические применения».