濃褐色のメラニン色素であるユーメラニンは、髪や目に色をつけ、紫外線による肌のダメージから守る働きをします。また、長年にわたり電気を通すことは知られていましたが、その度合いは実用には不十分でした。しかし今回、その状況が変わりつつあります。
画期的な研究が Frontiers in Chemistryに掲載され、イタリアの研究者らは真空中で加熱することにより、ユーメラニンの構造をわずかに変化させました。
「私たちの手法により、ユーメラニンの電気伝導度は10億倍に向上しました」と、本研究の上級著者である アレッサンドロ・ペッツェッラ博士（ナポリ・フェデリコ2世大学）と、パオロ・タッシーニ博士（イタリア国家新技術・エネルギー・持続可能な経済開発機関）は述べています。「これにより、長年期待されてきたメラニンベースのエレクトロニクスの設計が可能になります。この色素は生体適合性があるため、埋め込み型デバイスにも利用できます。」
ユーメラニンは生体適合性のある導体である
ペッツェッラ氏がまだ学校に通う前、科学者たちがある種のメラニンが電気を通すことを初めて発見しました。ユーメラニン（髪、肌、目に含まれる濃褐色の色素）が完全に生体適合性を持つことから、この発見は速やかに注目を集めました。
「メラニンはほぼすべての生物に自然に存在します。無毒であり、免疫反応を引き起こすこともありません」とペッツェッラ氏は説明します。「環境中においても、完全に生分解性です。」
その後数十年にわたり、メラニンの構造について広範な研究が行われてきましたが、埋め込み型エレクトロニクスにその可能性を活かせた者は誰もいませんでした。
「これまで、合成および天然のユーメラニンのいずれも、有用な用途には導電性が低すぎました」とペッツェッラ氏は付け加えます。
一部の研究者は、ユーメラニンを金属と組み合わせたり、グラフェンに似た材料へと超高温で加熱したりすることで導電性を高めようとしました。しかし、得られたものは、約束された真の生体適合性導電材料とはほど遠いものでした。
真に実用的な材料を見つけるため、ナポリの研究グループはユーメラニンの構造を検討しました。
「ユーメラニンに関するすべての化学的・物理的分析は、同じ像を示しています。すなわち、電子を共有する分子シートが、雑然と積み重なっているというものです。答えは明白に思えました。積み重なりを整え、シートを揃えて、すべてが電子を共有できるようにすれば、電気が流れるはずだ、と。」
熱処理により毛髪色素が整う
アニーリングと呼ばれるこの工程は、金属などの材料において、電気伝導度やその他の特性を高めるためにすでに用いられています。
研究者らは初めて、合成ユーメラニンの薄膜を高真空下でアニーリング工程にかけ、その構造を整えました。髪をストレートにするのに少し似ていますが、対象は色素のみです。
「これらのユーメラニン薄膜（細菌より薄いもの）を、真空条件下で30分から6時間まで加熱しました」とタッシーニ氏は説明します。「得られた材料を、高真空アニーリングユーメラニン（HVAE）と呼んでいます。」
アニーリングはユーメラニンに驚くべき効果をもたらしました。薄膜は半分以上薄くなり、かなり色づきました。
「HVAE薄膜は濃褐色となり、ウイルスほどの厚さになりました」とタッシーニ氏は報告しています。
重要なのは、薄膜が単に焼け焦げてしまったわけではないことです。
「私たちの各種分析はすべて、これらの変化がユーメラニン分子のランダムな配向から、均一で電子を共有する積層構造への再配列を反映していることで一致しています。アニーリング温度は、ユーメラニンを壊すには低すぎ、元素状炭素への燃焼も検出されませんでした。」
導電性の10億倍の向上
ユーメラニンの意図した構造変化を実現した研究者らは、その仮説を見事に実証しました。
「600°Cで2時間アニーリングした後、薄膜の導電性は10億倍に増加し、前例のない300 S/cmを超える値に達しました」とペッツェッラ氏は確認しています。
多くの金属導体には遠く及ばないものの（銅の導電性は約6 x 10⁷ S/cmです）、この発見により、ユーメラニンは生体電子工学にとって有用な範囲に大きく踏み込みました。
さらに、HVAEの導電性はアニーリング条件に応じて調整可能であることも分かりました。
「薄膜の導電性は温度の上昇とともに増加し、200°Cでは1000倍となりました。これにより、有機エレクトロニクスおよび生体電子工学における幅広い用途に向けてユーメラニンを調整できる可能性が開かれます。また、構造解析から得られた、アニーリングにより薄膜が焼かれるのではなく再配列されたという結論を強く裏付けるものでもあります。」
ひとつ懸念される点があります。薄膜を水に浸すと、導電性が著しく低下することです。
「これは未処理のユーメラニンとは対照的です。未処理のユーメラニンは、導電性がはるかに低い範囲ではあるものの、水和（湿度）によって導電性が高まります。これは、電子だけでなくイオンを介しても電気を伝導するためです。ユーメラニンの導電性におけるイオン性と電子性の寄与を完全に理解するには、さらなる研究が必要です。この点は、埋め込み型エレクトロニクスにおいてユーメラニンを実際にどのように利用するかを左右する重要な鍵となる可能性があります。」とペッツェッラ氏はまとめています。
