Frontiers in Chemistry

Introduction

＜8253＞1974年、McGinnessらはユーメラニンが半導体の性質を持つことを初めて実験で証明しました（McGinness et al.著）。 特に哺乳類（ヒトを含む）の皮膚、毛髪、虹彩の暗褐色色素の原因であるポリインドール系色素である。 この研究は、一次元半導体として機能する無限ユーメラニン高分子鎖内の非局在空分子軌道に関連するエネルギーバンドの存在の可能性に関するPullmanおよびPullman（1961）による先駆的な提案に続くものである。

それ以来、この困難な材料クラスの電荷輸送特性は広範囲にわたって研究された（d’Iscia et al, 2015）、特に近年では、ユーメラニンを有機（バイオ）エレクトロニクスに利用できる可能性があるとして、この話題への関心が再び高まっています（Muskovich and Bettinger, 2012）。 1970年以降、ユメラニン色素の化学的特性評価も注目すべき発展を遂げ、天然色素の化学構造シグネチャーの健全な姿を描き出し、貴重な合成モデルの設計と作製が可能になりました（d’Iscia et al.、2015）。 これらのモデルのうち、天然ユーメラニンの形成経路における究極のモノマー前駆体である5，6-ジヒドロキシインドール（DHI、図S1）の酸化重合を伴うものは、その化学構造と生体適合性の両方において最も価値のあるものの1つであることが証明され、広く認められている（d’Isciaら、2015年）。 現在までに、天然ユーメラニンと同様に合成ユーメラニンの導電率は、測定条件、特に測定環境における湿度の存在に大きく依存し、（Osakら、1989；MeredithとSarna、2006）10-13-10-5S／cmの範囲で報告されている（Jastrzebskaら、1995）。 貴重なアプリケーションのためには、より高い導電性値がまだ必要であるため、いくつかの研究では、ユーメラニンを他のより導電性の高い材料と統合すること（Mihaiら、2013；Gargiuloら、2015；Migliaccioら、2017）、ただしその化学に強く影響を与えること、または例えば水素またはアルゴン雰囲気下のポリドパミンの熱分解処理によってグラフェン様材料を得るためにユーメラニン様材料の厳しい改質（Kongら、2012；Liら、2013）について検討した。 ユーメラニンにおける電荷輸送のメカニズムはまだ完全には明らかにされていないが、いくつかの証拠から、イオンと電子のハイブリッド挙動が支持されている（Mostertら, 2012; Wünscheら, 2015）。

ユーメラニンの化学的物理的特性とポリインドールπ系スタッキング、および材料内の分子構成要素の充填との間の相関を開示する一致した証拠に基づく（Pezzella et al, 2009; Bonavolontà et al., 2017）、我々はユーメラニン薄膜のポリインドール充填に作用することによる電子伝導度の変調（Noriega et al., 2013; Liu et al., 2017）について推測した。 このことは、私たちの知る限り、ここで初めて、318S/cmまでのこの材料の最高の導電性値を示すユーメラニン薄膜の調製と特性評価を報告することをもたらす。

導電性ユーメラニン薄膜は、DHIの固体形態の予備酸化重合（d’ Ischia et al. 得られた材料をHigh Vacuum Annealed Eumelanin, HVAEと名付ける。

Experimental Part

市販の試薬および材料はすべて受け取ったままの状態で使用された。 溶媒はすべて分析グレードのものを使用した。 DHIは報告されている手順（d’Ischia et al.，2013）に従って調製した。 試料は石英基板（寸法15 mm × 6 mm × 1.2 mm）上に調製し，脱イオン水中の洗剤Borer Chemie AG Deconex 12PA®の溶液（18 MΩ・cm）中で70℃，30分間超音波洗浄し，脱イオン水中，アセトン中，イソプロパノール中でそれぞれ15分間連続的にリンスをした。 DHIのメタノール-酢酸エチル（1：1 v/v）中濃縮溶液（50 mg/mL）を調製し，蒸着前に0.2 μmのワットマン膜でろ過し，各試料にこの溶液を15 μL塗布した。 薄膜は、Laurell WS-650MZ23NPP/LITEコーターを用いて、スピンコーティングによって得た、スピンレシピ：加速度2,000 rpm/s、速度3,500 rpm、時間30秒。 DHI膜の厚さは、触針式プロフィロメーターKLA Tencor P-10を使用して測定したところ、230±10nmであった。 熱重量分析（TGA）は、Perkin-Elmer Pyris熱重量分析装置を用いて非酸化性雰囲気下で行った。 走査型電子顕微鏡（SEM）は、SEM Zeiss Leo 1530 Geminiを使用して実行された。 UV-Vis スペクトルは，Perkin-Elmer 社の Lambda 900 分光光度計を使用して記録した． 電子常磁性共鳴（EPR）スペクトルは、超高感度プローブヘッドを備えたXバンド（9 GHz）ブルカーElexys E-500分光計を使用して測定した）、ラマン分光は、レニショーinViaラマン顕微鏡（532 nm）、これは顕微鏡を使ってレーザ光線をサンプルの特定の領域に集光し、次にサンプル表面から散乱した光を集めてラマン分光計に向ける）、再調節された。 FTIR分析は、Thermo Fischer Scientific Nicolet 6700 FTIRを使用して、試料の減衰全反射（ATR）スペクトルを測定しました（分解能4 cm-1、各スペクトルについて4000～650 cm-1の範囲で16スキャンを平均）。 微小角入射広角X線散乱（GIWAXS）は，多層集光光学系（Confocal Max-Flux; CMF 15-105）を通して3ピンホールカメラ（Rigaku SMAX-3000）に取り付けられたFr-E+ SuperBright回転陽極マイクロソース（CuKa， λ = 0.154 nm）で実行した。 元素組成（C, H, N wt.%）は，Perkin-Elmer 2400 CHNSO elemental analyzerを用いて推定した． 電気抵抗対温度測定は、CASCADE Summit 11000B-Mのプローブステーションで、1種類のHVAEの2端子デバイスを測定（600℃、2時間、10-6mbar）し、熱チャック付きの密閉チャンバーを備え、試料を乾燥窒素の一定流量（10L/min）に保ち、温度を±1℃以内に安定させてから測定を行い、ケースレー4200SCS半導体特性測定システムで電気データを取得した。

ユーメラニン形成は、最近開発された固体プロトコルであるアンモニア誘導固体重合（AISSP）法のおかげでDHI膜の酸化によって得られた（d’Iscia et al, 2013; Pezzella et al., 2015）。 各サンプルは、1バールの圧力で密閉されたチャンバー内のアンモニア溶液（H2O中5％NH3）と空気の平衡によって生成された、温度制御（25℃）の酸素、水、アンモニア蒸気からなる酸化性雰囲気に12時間曝露された。 このようにして得られた材料は、出発DHIおよび最終HVAEと区別するために、ここではDHI-eumelaninと名付けた。 DHI-eumelanin膜の厚さは260±6nmであった。 フィルムはユーメラニンの典型的な暗褐色を示し（図S2），平坦な表面を呈した（図S3，表S1；表面粗さ画像は，薄膜＜5783＞厚膜測定機能を有するTaylor Hobson® CCI-HD非接触型3D光学プロフィロメータを用いて撮影した；フィルム粗さは各サンプルについて複数のスキャンから二乗平均（RMS）値として推定した）．

DHI-ユメラニン膜は、最終的に高真空条件（10-6mbar）において、異なる制御温度（230、300、450、および600℃、各値について±1℃）でアニールすることによりHVAEになった。いくつかのサンプルは、さまざまな時間長（30分から6時間まで）でアニールもされた。 このプロセスは、専用の高真空チャンバー内で、ターボ分子ポンプを使用して真空レベルを取得し、事前のリーク検出とサンプル温度の検証を行うことで実施された。 HVAE膜の平均厚さはアニール条件に依存し、600℃で1時間以上のプロセスでは最小の値が110±2nmまで低下した（図S5）＜6856＞＜7520＞結果および考察＜3749＞＜8253＞選択したアニール温度は、分解の開始温度として報告されている値よりかなり低かった（Albano et al, 2016）および／または類似の材料における炭化プロセス（Yuら、2014）であるが、熱重量分析（TGA）によって示されるように、ユーメラニン質量損失領域のかなりの部分が含まれる。 さらに、適用温度は、弱結合水と強結合水の両方の完全な損失（Albaneseら、1984；MeredithおよびSarna、2006；Albanoら、2016）、ならびにDHI-ユーメラニン中のカルボキシル基からのCO2の損失（熱脱炭酸）（SwanおよびWaggott、1970）を含んでいる。 実際、酸化的でない条件下でのTGAデータは、800℃で質量損失がほぼ完了することを示しており、600℃では分子骨格の修飾がほとんど起こらないことが示唆される。 その代わりに、材料の安定性に決定的な影響を与える酸素の存在下では、まったく異なる画像が得られる（図S4）。

プロセスの異なる段階での材料の形態および表面分析により、出発DHI膜からHVAE膜（図S3）まで、ほぼ無修正の粗さが明らかになった（ISO 25178規格による粗さの定義を用いて；DHI粗さ＝6.45 nm，DHI-eumelanin roughness = 6.52 nm，HVAE roughness = 6.58 nm），一方，600℃で処理した試料では，アニール温度の関数として厚さが260から109 nmまで大きく減少した（図S5）。 これは、ユーメラニンが不安定なカルボキシル基を失うという前記傾向から予想された（Swan and Waggott, 1970; d’Ischia et al, 2013; Albano et al,

走査型電子顕微鏡（SEM）検査では、HVAEフィルムの高品質な形態の保持が確認され（図S6）、この材料の均一な表面が示された。

異なるプロセスステップで観察された紫外-可視スペクトル（図1）は、DHIからDHI-ユメラニン、HVAEに至るまで、ほぼすべての紫外-可視領域で吸収係数が明らかに増加していることを示した。 この現象は、芳香族の非局在化とそれらのπスタッキング相互作用の両方の増加と関連しており（Pezzellaら、2009；Bonavolontàら、2017）、それは、拡張と充填係数の実際の増加を示唆する（Albaneseら、1984；Bonavolontàら、2017）。 2017）、特に真空中での熱処理後に起こる、材料骨格の非局在化された芳香族系について、すなわち、この再編成は、隣接する充填鎖のπ電子密度の重複およびそれらの電子波動関数の非局在化（Kollerら、2007）に帰結する。 異なるプロセス段階でのフィルムのUV-Vis吸収率（吸光度パーセント/フィルム厚み）。 (赤、丸）DHI；（黒、四角）DHI-ユーメラニン（AISSP後のフィルム）；（青、三角）HVAE（真空中での熱アニール後のフィルム：600℃；2時間；10-6mbar）

構造再編成および強化された充填秩序（RonicaiおよびThobie-Gautier、1994；Ronicai、1997；Liuら、”Long”）の図への強い支援。 HVAEフィルム内の分子構成要素の2016）は、異なる特性評価技術を使用して観察された典型的なユーメラニンのシグネチャーの保持によってさらに与えられた（図S7〜S10）。 (i）電子常磁性共鳴（EPR）スペクトル（Meredith and Sarna, 2006; d’Ischia et al., 2013）、（ii）ラマン分光法（Capozzi et al., 2005; Albano et al., 2016）、（iii）FTIR分析（Hogo et al., 2011）及び（iv）MALDI-MS（Pezzella et al., 2015）分析。 難分解性及び低分子量成分の同時損失（Swan and Waggott, 1970）及び長いポリインドール鎖のクラスタリングによって可能となった、このパッキングモデルの絵図を図2に示す＜6856＞＜5944＞FIGURE 2＜8646＞＜5944＞＜9005＞＜8253＞Figure 2. 高真空アニール中のポリインドールのパッキング進化の図式モデル。 水分子とカルボキシル基は、プロセス温度の上昇に伴って材料内で減少することを示すために、証明されている。

これらの技術はそれぞれ、フィルム内の分子構成要素の性質を確認する決定的なものとはみなされないが、異なる分光学のデータの一致は、文献に基づいて決定的なものとみなされなければならない。 実際、UV-Visプロファイルと同様に、HVAEのERPスペクトル（図S7）も、文献にあるユーメラニン試料のものと一致し、2.003 ± 0.004 Gの範囲のB値で単一でほぼ対称なシグナルを示した。

ラマンスペクトル（図S8）の詳細に立ち入ることなく、アニール前後のプロファイルの比較により、カルボキシル基およびピロール酸の可能性の損失と一致して、OおよびNの寄与の減少に続いてGバンド（1600cm-1の範囲）の相対的減少を明らかにしたことにここで注目する価値がある。 DHI-ユメラニンおよびHVAEフィルムのFTIRスペクトル（図S9）からも一貫した情報が得られ、特にC＝O伸縮（1,620cm-1）および水（3,200cm-1）に関連する信号の大幅な減少が強調されている（Hyogo et al, 2011）。

文献と同様に、DHI-eumelaninおよびHVAEのMALDIプロファイル（図S10）も、一般式DHIオリゴマー＋mO2-nCO2の質量の反復プロファイルを共有している（Pezzellaら、2015）

最後に、充填進化仮説の直接的なサポートは2D GIWAXSパターン（図3）からもたらされた。 回折データは、微小角入射広角X線散乱でガラス基板上に蒸着された準備通りのフィルムから収集された。 回折環に沿った強度分布の異方性の程度が異なることから、真空熱処理を行った後に配向度が高まっていることがわかる。 特に、HVAE膜（図3A）では、回折強度がQz軸に沿って、すなわち試料表面に垂直に確実に集中しており、回折面が膜表面と平行に優先配向していることを示しています。 一方、DHI-eumelanin膜（図3B）では、弱い回折強度が広い回折環の方位に沿って均一に分布しており、結晶性が低く、分子がランダムに配向していることを示している。 面外方向（図3C）と面内方向（図3D）のGIWAXSマップから抽出した1次元ラジアルカットは、HVAE膜の場合、2つの方向の間に明確な違いがあることを示している。面外方向のピークの非対称性から、面内カットにおける唯一の散乱寄与である基板に帰属されるq = 1.56Å のメインピークの側でq = 1.85Å の肩として現れる配向分子の回折寄与を確認することができた。 面外方向の肩は、3.4Åの周期性を持つ予想される超分子構造（Zajacら、1994；Chenら、2013）と一致する、よく配向したスタックの形成の明確なサインである。 A）HVAEフィルム（600℃で2時間処理）と（B）DHI-eumelaninフィルムのGIWAXS 2Dパターン。 (A,B)の2次元マップから得られた(C)面外方向と(D)面内方向の1次元カット。

逆にDHI-eumelaninフィルムの場合は2方向の回折強度に差が認められない（そのため、5.

材料の電気特性は、サンプルの示す導電率が異なるため、2つのセットアップを使用して測定されました。 さまざまな測定の間に、サンプルは穏やかな真空中（10-4mbar）で保管され、保管室を開くたびに純粋な乾燥窒素（酸素と水蒸気の含有量が5ppm未満）を使用して洗浄しました。

4点プローブシステム（Schroder, 1986; Bothmaら、2008） Napson RESISTAGE RG-80を使用して、膜厚による材料の伝導率を算出するために、各膜のシート抵抗を測定して、各薄層の厚さの全体を流れる電流を想定して、膜の抵抗を測定しました。 この測定構成では、プローブと材料の間の接触抵抗を無視することができます。(i) 入力電流は固定で装置によって知られており、この回路分岐の接触抵抗の存在に関係なく装置内に流れることができるので、シート抵抗値を得ることができ、 (ii) 電圧計の回路分岐にはほとんど電流が流れず、この点の接触抵抗（存在する場合）は測定に影響を与えません。

低導電率の試料では、4点プローブのナプソン測定器は使用できないので、材料の異なる膜で2端子のデバイスを用意し、デバイスのコンタクトパッドを銀ペーストで整え、不要な部分の膜を切り取って、異常電流路を避けた。 図 4 に，試料の導電率-アニール温度および処理時間 を示す。 真空アニール後、フィルムの導電率は、DHIおよびDHI-eumelaninフィルムの約10-7 S/cmから、600℃で2時間処理した材料で318 S/cmという前例のない値まで、最大9桁以上の著しい増加を示し、とにかく600℃で処理したすべての試料で100 S/cmより大きい値が得られた（図4挿入図）。

Figure 4. 真空アニールしたユーメラニン薄膜の導電率 vs アニール温度、（挿入図） vs 600℃温度でのアニール時間。 データは表中に記載。 測定はすべて大気中、室温で行った。

この前例のない結果は、湿度応答効果ではない。各試料について数十秒のデータ取得で、周囲の相対湿度の変動がないことから、関与する電荷キャリアの実際の性質は電子的であると考えられる。 それにもかかわらず、空気中の固定温度でより長い時間、HVAE膜の導電性は時間とともにかなり安定しているように見え（図S13）、電子伝導性有機物に期待できるように、材料は時間に沿った印加電圧の非常に低い増加で一定の電流を維持することができます（Leら、2017年）。 さらに言えば、測定中に環境湿度が材料膜に吸収されていた場合、ユーメラニンに関する現在の文献によれば、その導電性は増加するはずであり、これはこの種の測定中に電圧が減少するはずであることを意味します。 しかし、ここではその逆で、試料の抵抗値が時間とともに増加することが確認された。

フィルムを水または酸性条件にさらす前後に行った電流-電圧測定では、フィルムの含水量による導電性の増加は決定的となった。 脱イオン水に浸すと、導電性が著しく低下し、表面の平滑性も低下した（図S11、表S2）。 導電率の低下は、フィルムが酸性溶液にさらされるとさらに顕著になる（d’Isciaら、2013）（図S12および表S3）。 注目すべきは、フィルムは加速エージング下で適度に安定しているように見えるが（表S4）、フィルムが以前に水に浸漬されていた場合、安定性は失われる（表S2）。 既知の文献（Bothmaら、2008；Wünscheら、2015；Di Mauroら、2016）に照らして、この挙動は、電荷輸送におけるイオン効果の寄与がHVAEにおいて無視できると考えられることを明らかに示唆している。 さらに、浸漬（Ito et al., 2011）水または酸性溶液への曝露によって引き起こされる劇的な効果は、フィルムの電気特性を決定する上で芳香族ポリインドール系の充填が重要な役割を果たすことを立証している（Jastrzebska et al, 2002; Ito et al., 2011; Noriega et al., 2013; Liu et al., 2017）。

ここで観察された導電率の増加は、高密度カーボンブラック材料に類似した膜の形成に帰することはできない（Celzard et al, 2002; Jan et al., 2006）、これらの材料を製造するプロセスは、ユーメラニン様材料に適用する場合、高温（1000℃以上）を操作するため（Kong et al., 2012; Li et al., 2013）、またはとにかく600℃以上の温度でユーメラニン前駆体（フェニルアラニン）に富むポリペプチドに適用すると良い伝導度値を得るため（Namgung et al., 2017）、です。 その代わり、本研究では、200°C÷450°Cの範囲でアニーリングした後でも、3から5桁の顕著な導電率上昇が観察されます。 このことは、導電率の上昇を炭化プロセスに帰する必要がないことを強く示唆している。 実際、元素分析データ（表S5）は、この材料がカーボンブラック材料に期待されるC／X比を示さないことを確認している（Celzardら、2002）。 2016）（フェノールおよびピロールポリマー）は、850〜900℃未満では炭化が起こらないことを示している。

さらに、C／X比においてわずかに観察された増加は、ほぼ一定のC／N比によって確認されるように、実際には、不安定な二酸化炭素基（表S5伝説参照）の喪失に関連するものである。

これに基づいて、少量の炭化の可能性さえ除外することができ、さらに、黒鉛化はさらに高い温度を必要とするので除外されなければならない（Zajac et al, 1994; Li et al., 2013）。

電気抵抗対温度の測定も行われ（図S14）、1種類のHVAEの2端子デバイスを測定した（600℃、2時間、10-6mbar）。 観測されたRの値とR vs Tの傾向から、材料の導電性には単純なメカニズムではないことが明らかになった：Rの値が小さいことは、それが良好な電子伝導体であることを示している（Le et al, 2017）、一方、この温度範囲におけるその傾向は、半導体（R vs. Tの減少）または導体（R vs. Tの増加）の性質を識別することができず、まさにこの論文の範囲外の作業である。

結論

今回報告された結果は、ユーメラニン電荷輸送特性の実際の図に根本的な修正をもたらし、ユーメラニン伝導性は材料中の水分量が増加するというパラダイムが逆転していることを示した。 実際、真空中での簡単な熱処理によって分子構成要素の構造再編成を誘発し、ユーメラニン膜を導電層に再配列すると、電子電流の寄与が、報告されているイオン電流に関して大きく優れることがここで実証された（Mostertら、2012；Di Mauroら、2016；Sheliakinaら、2018）。 これにより、本研究では318 S/cmに及ぶ前例のない高い導電性値を得ることができ、哺乳類の色素モデルであるDHIユーメラニンは実際の導電体と見なすことができる。 この導電性値とプロセス条件の制御による微調整は、有機エレクトロニクスやバイオエレクトロニクスの幅広い応用に向けたユーメラニンベースのアドホックな活性層の調整を可能にし、導体対バイオの決定的証拠を得るためにさらに広範な調査を行う必要がある。

Data Availability

本研究で作成したすべてのデータセットは、原稿および/または補足ファイルに含まれています。 測定はLMとPMが行い、AP、PT、DAが貢献した。 LM、AP、PTは実験データの処理と解析を行った。 すべての試料はLMが作製した。 すべての著者が結果について議論し、主原稿を執筆した。 AP、PT、CG、MGM、CMは原稿の改良に貢献した。

資金提供

イタリア教育・大学・研究省-プロジェクトRELIGHT（PON02_00556_3306937）；イタリア経済開発省-PROG. No. E10/000798/02/E 17; 欧州委員会 FP7-PEOPLE-2013-IRSES、Project Reference: 612538; Knowledge and Innovation Community (KIC) EIT RawMaterials-Network of Infrastructure OPTNEWOPT (P. A. 15065).

利益相反声明

著者は、本研究が、利益相反の可能性として解釈できるいかなる商業または金銭的関係もない状態で行われたことを宣言するものである。

謝辞

著者らは、プロセスシステムの稼働を維持するために貴重なサポートを提供してくれた Antonio Citarella 氏、SEM 画像を提供してくれた Anna De Girolamo Del Mauro 博士、一部の UV-Vis 画像を取得してくれた Carmela Tania Prontera 博士に感謝します。 R. Lassandroは、X線ラボでの技術サポートに謝意を表します。

補足資料

この論文の補足資料は、次のサイトでご覧になれます。 https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2019.00162/full#supplementary-material