Batterie più efficienti grazie alla melanina?


    La melanina è un termine ampio che contraddistingue un gruppo di pigmenti naturali che si trovano in molti organismi. La melanina è prodotta dall’ossidazione della tirosina (un amminoacido) seguita dalla polimerizzazione. La melanina della pelle è prodotta da un gruppo di cellule specializzate presenti nell’epidermide, i melanociti. La quantità di melanina è il fattore principale del colore più o meno scuro della pelle delle varie etnie umane.

    Nonostante la melanina sia studiata da molti anni non si conosce ancora esattamente la sua esatta struttura chimica macromolecolare.

    Schema descrittivo catodo melanina e struttura chimica. Credit: Carnegie Mellon University Mechanical EngineeringImmagine - Schema descrittivo catodo melanina e struttura chimica. Credit: Carnegie Mellon University Mechanical Engineering

    Anche se i ricercatori hanno studiato in maniera estesa la struttura chimica delle singole molecole di melanina per più di 70 anni, si conosce molto poco dei mattoni molecolari che costituiscono i pigmenti di melanina.

     

    La struttura chimica della melanina su scala macromolecolare

    Recentemente un team di ricercatori della Carnegie Mellon University, USA ha scoperto che la struttura chimica della melanina su scala macromolecolare mostra, tra le altre forme, un anello a quattro termini, in altre parole, una struttura chimica che potrebbe essere favorevole alla creazione di alcuni tipi di batterie a base di pigmenti di melanina naturale.

    «A livello funzionale, diversi tipi di molecole di melanina possiedono composizioni chimiche abbastanza differenti, quindi riuscire a metterle insieme è un po' come risolvere un puzzle, ogni molecola rappresenta un pezzo del puzzle» spiega il dott. Venkat Viswanathan ricercatore presso il dip. di Ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University e co-autore dello studio. «Potresti prendere un numero qualsiasi di questi pezzi, mescolarli e abbinarli o impilarli uno sull'altro. La nostra ricerca si è focalizzata sul capire quale di queste disposizioni fosse davvero corretta».

    Diversi tipi di molecole di melanina

    Ci sono diversi tipi di molecole di melanina, ogni tipo possiede funzioni diverse a seconda della struttura chimica. Quando queste molecole si legano per formare una struttura macromolecolare, o un polimero, tali polimeri possono essere organizzati per creare un materiale per realizzare batterie.

    Basandosi sulle rilevazioni ottenute dagli esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che una struttura del tetramero, un anello a quattro termini composto da molecole più grandi, sembra essere coerente con il modello strutturale delle macromolecole di melanina.

    «Solo la struttura del tetramero ha il numero corretto di atomi di azoto che possono legarsi agli atomi di sodio» scrive il professore associato di scienza dei materiali e ingegneria biomedica Chris Bettinger, «riteniamo che il tetramero sia il modello strutturale corretto poiché i segnali di tensione che abbiamo rilevato sono coerenti con tale modello».

    La struttura tetramerica della melanina può essere utilizzata come catodo di una batteria

    Il team di ricercatori, composto da Bettinger, il giovane ricercatore Jo Kim e il prof. di ingegneria e scienza dei materiali Jay Whitacre, ha individuato la struttura tetramerica della melanina utilizzandola come catodo di una batteria. Tuttavia, così facendo, i ricercatori hanno anche scoperto che la melanina mostra un plateau di tensione tipico dei materiali delle normali batterie, mentre fornisce una tensione sorprendentemente elevata.

    «La tensione che abbiamo ottenuto era molto, molto alta, paragonabile a quella che potremmo ottenere utilizzando dei catodi per batterie prodotti con i migliori materiali a base di sodio» scrive il prof. Viswanathan. «Questa scoperta ci ha sorpreso, si potrebbe prendere questo materiale dalla biologia e potenzialmente utilizzarlo come ottimo materiale catodico».

    Il team di ricerca comprendeva inoltre il dott. Abhishek Khetan, il prof. associato Wei Wu della Carnegie Mellon School of Computer Science e il dott. Sang-Eun Chun dell’Università dell’Oregon, USA.

     

    Riferimento: Young Jo Kim et al. Evidence of Porphyrin-Like Structures in Natural Melanin Pigments Using Electrochemical Fingerprinting, Advanced Materials (2016). DOI: 10.1002/adma.201504650 



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