No futuro, nossa saúde pode ser monitorada e mantida por minúsculos sensores e distribuidores de drogas, implantado dentro do corpo e feito de grafeno, um dos mais fortes, materiais mais leves do mundo. O grafeno é composto por uma única folha de átomos de carbono, ligados entre si como um arame de galinheiro fino, e suas propriedades podem ser ajustadas de inúmeras maneiras, tornando-o um material versátil para pequenos, implantes de última geração.

Mas o grafeno é incrivelmente rígido, enquanto o tecido biológico é macio. Por causa disso, qualquer energia aplicada para operar um implante de grafeno pode aquecer precipitadamente e fritar as células circundantes.

Agora, engenheiros do MIT e da Universidade Tsinghua em Pequim simularam com precisão como a energia elétrica pode gerar calor entre uma única camada de grafeno e uma simples membrana celular. Embora o contato direto entre as duas camadas inevitavelmente superaquece e mata a célula, os pesquisadores descobriram que poderiam prevenir esse efeito com um produto muito fino, camada intermediária de água.

Ajustando a espessura desta camada intermediária de água, os pesquisadores puderam controlar cuidadosamente a quantidade de calor transferida entre o grafeno e o tecido biológico. Eles também identificaram o poder crítico a ser aplicado à camada de grafeno, sem fritar a membrana celular. Os resultados são publicados hoje na revista. Nature Communications .

Co-autor Zhao Qin, um cientista pesquisador no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (CEE) do MIT, diz que as simulações da equipe podem ajudar a orientar o desenvolvimento de implantes de grafeno e seus requisitos de energia ideal.

"Nós fornecemos muitos insights, como qual é o poder crítico que podemos aceitar que não vai fritar a célula, "Qin diz." Mas às vezes podemos querer aumentar intencionalmente a temperatura, porque para algumas aplicações biomédicas, queremos matar células como células cancerosas. Este trabalho também pode ser usado como orientação [para esses esforços.] "

Os co-autores de Qin incluem Markus Buehler, chefe do CEE e o professor de engenharia da McAfee, junto com Yanlei Wang e Zhiping Xu da Universidade de Tsinghua.

Modelo sanduíche

Tipicamente, o calor viaja entre dois materiais por meio de vibrações nos átomos de cada material. Esses átomos estão sempre vibrando, em frequências que dependem das propriedades de seus materiais. À medida que a superfície se aquece, seus átomos vibram ainda mais, causando colisões com outros átomos e transferindo calor no processo.

Os pesquisadores procuraram caracterizar com precisão a forma como o calor viaja, no nível de átomos individuais, entre o grafeno e o tecido biológico. Para fazer isso, eles consideraram a interface mais simples, compreendendo um pequeno, Folha quadrada de 500 nanômetros de grafeno e uma membrana celular simples, separados por uma fina camada de água.

"No corpo, a água está em toda parte, e a superfície externa das membranas sempre gostará de interagir com a água, então você não pode removê-lo totalmente, "Qin diz." Então, criamos um modelo sanduíche para o grafeno, agua, e membrana, esse é um sistema cristalino para ver a condutância térmica entre esses dois materiais. "

Os colegas de Qin na Universidade de Tsinghua já haviam desenvolvido um modelo para simular com precisão as interações entre os átomos no grafeno e na água, usando a teoria do funcional da densidade - uma técnica de modelagem computacional que considera a estrutura dos elétrons de um átomo para determinar como esse átomo irá interagir com outros átomos.

Contudo, para aplicar esta técnica de modelagem ao modelo sanduíche do grupo, que compreendia cerca de meio milhão de átomos, teria exigido uma quantidade incrível de poder computacional. Em vez de, Qin e seus colegas usaram a dinâmica molecular clássica - uma técnica matemática baseada em uma função potencial de "campo de força", ou uma versão simplificada das interações entre os átomos - que lhes permitiu calcular com eficiência as interações dentro de sistemas atômicos maiores.

Os pesquisadores então construíram um modelo de sanduíche em nível de átomo de grafeno, agua, e uma membrana celular, com base no campo de força simplificado do grupo. Eles realizaram simulações de dinâmica molecular nas quais mudaram a quantidade de energia aplicada ao grafeno, bem como a espessura da camada intermediária de água, e observou a quantidade de calor que é transportada do grafeno para a membrana celular.

Cristais aquosos

Como a rigidez do grafeno e do tecido biológico é tão diferente, Qin e seus colegas esperavam que o calor conduzisse mal entre os dois materiais, acumulando-se abruptamente no grafeno antes de inundar e superaquecer a membrana celular. Contudo, a camada intermediária de água ajudou a dissipar esse calor, facilitando sua condução e evitando um pico de temperatura na membrana celular.

Olhando mais de perto as interações dentro desta interface, os pesquisadores fizeram uma descoberta surpreendente:dentro do modelo sanduíche, a água, pressionado contra o padrão de arame de galinheiro do grafeno, se transformou em uma estrutura semelhante a um cristal semelhante.

"A rede do grafeno atua como um modelo para guiar a água para formar estruturas de rede, "Qin explica." A água age mais como um material sólido e torna a transição de rigidez do grafeno e da membrana menos abrupta. Achamos que isso ajuda a conduzir o calor do grafeno para o lado da membrana. "

O grupo variou a espessura da camada intermediária de água nas simulações, e descobriram que uma camada de água de 1 nanômetro de largura ajudou a dissipar o calor de forma muito eficaz. Em termos de potência aplicada ao sistema, eles calcularam que cerca de um megawatt de potência por metro quadrado, aplicado em minúsculo, rajadas de microssegundos, foi a maior potência que poderia ser aplicada à interface sem superaquecer a membrana celular.

Qin diz daqui para frente, os projetistas de implantes podem usar o modelo e as simulações do grupo para determinar os requisitos críticos de energia para dispositivos de grafeno de diferentes dimensões. Quanto a como eles podem controlar praticamente a espessura da camada intermediária de água, ele diz que a superfície do grafeno pode ser modificada para atrair um determinado número de moléculas de água.

"Acho que o grafeno é um candidato muito promissor para dispositivos implantáveis, "Qin diz." Nossos cálculos podem fornecer conhecimento para projetar esses dispositivos no futuro, para aplicações específicas, como sensores, monitores, e outras aplicações biomédicas. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.