深棕色的黑色素颜料，即真黑色素，使头发和眼睛呈现颜色，并保护我们的皮肤免受阳光伤害。长期以来，人们就已知它能导电，但导电性太低，无法用于任何实际应用，直到现在。
在一项发表于《Frontiers in Chemistry》上的里程碑式研究中，意大利研究人员通过在真空中加热，巧妙地改变了真黑色素的结构。
“我们的工艺使真黑色素的导电性提高了十亿倍，”该研究的资深作者Alessandro Pezzella博士（那不勒斯腓特烈二世大学）与Paolo Tassini博士（意大利国家新技术、能源和可持续经济发展局）表示。“这使得人们期待已久的基于黑色素的电子器件设计成为可能，由于这种颜料具有生物相容性，这类器件可用于植入式设备。”
真黑色素是一种生物相容性导体
在Pezzella还未开始上学时，科学家就首次发现某种黑色素能够导电。由于真黑色素（即存在于头发、皮肤和眼睛中的深棕色颜料）完全具有生物相容性，这一发现很快引起了广泛关注。
“黑色素几乎存在于所有生命形式中，是天然存在的。它们无毒，也不会引发免疫反应，”Pezzella解释道。“在环境中，它们也能被完全生物降解。”
数十年后，尽管人们对黑色素的结构进行了大量研究，却无人能够将其潜力应用于可植入电子器件。
“迄今为止，合成的和天然的真黑色素的导电性都远远不足以支撑有价值的应用，”他补充道。
一些研究人员尝试通过将真黑色素与金属结合，或将其超高温加热形成类石墨烯材料，以提高其导电性，但他们最终得到的并非真正承诺的具有生物相容性的导电材料。
为了找到真正合适的材料，这个那不勒斯研究团队对真黑色素的结构进行了研究。
“对真黑色素的所有化学和物理分析都描绘出同一幅图景：由可共享电子的分子片层杂乱堆叠而成。答案似乎显而易见：整理堆叠结构，使片层对齐，从而使它们都能共享电子，电流便能流动。”
热处理可使头发颜料变得平直
这一被称为退火的工艺，已用于提高金属等材料的导电性及其他性能。
研究人员首次将合成真黑色素薄膜置于高真空条件下进行退火处理，使其结构变得整齐——这有点像拉直头发，但处理的只是颜料本身。
“我们在真空条件下加热这些真黑色素薄膜——其厚度不超过一个细菌——加热时间从30分钟到6小时不等，”Tassini描述道。“我们将所得材料称为高真空退火真黑色素，简称HVAE。”
退火对真黑色素产生了奇妙的效果：薄膜厚度减少了一半以上，并且颜色也明显加深。
“HVAE薄膜现在呈深棕色，厚度约与一种病毒相当，”Tassini报告道。
关键在于，这些薄膜并非简单地被烧焦。
“我们所有的各项分析都表明，这些变化反映了真黑色素分子从随机排列重组为均匀的、可共享电子的堆叠结构。退火温度过低，不足以打破真黑色素的结构，而且我们未检测到碳元素的燃烧。”
导电性提高十亿倍
在实现了真黑色素预期的结构变化后，研究人员以惊人的方式验证了他们的假设。
“经过600°C退火2小时后，薄膜的导电性提高了十亿倍，达到前所未有的超过300 S/cm的数值，”Pezzella证实道。
尽管远低于大多数金属导体——铜的导电性约为6 x 10⁷ S/cm——但这一发现使真黑色素的导电性进入了适用于生物电子学的有用范围。
此外，HVAE的导电性可根据退火条件进行调节。
“薄膜的导电性随温度升高而增加，在200°C时即提高了1000倍。这为针对有机电子学和生物电子学中的广泛应用来定制真黑色素提供了可能。这也有力地支持了结构分析得出的结论，即退火是使薄膜重组，而非将其烧毁。”
存在一个潜在的不利因素：将薄膜浸入水中会导致导电性显著下降。
“这与未经处理的真黑色素形成对比，后者虽然导电性范围低得多，但会随水合作用（湿度）而导电性增强，因为它既通过离子也通过电子导电。需要进一步研究，以全面理解真黑色素导电性中离子与电子的各自贡献，这可能是真黑色素在植入式电子器件中实际应用的关键。”Pezzella总结道。
