Un materiale che si comporta come i nostri occhi e ricorda come il nostro cervello: questa è la scoperta di un team di ricercatori dell'Istituto Italiano di Tecnologia, dell’Università Federico II di Napoli e dell’Università RWTH di Aquisgrana che ha avuto successo nella sintesi un nuovo materiale organico conduttivo e sensibile alla luce che, opportunamente stimolato, imita il comportamento della retina ma anche processi di memoria nel cervello.
I risultati della ricerca realizzata dal team internazionale guidato dalla ricercatrice Francesca Santoro, professoressa della RWTH Aachen University, sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Communications (Impact factor 16.6 - 2022 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2023)) nell’articolo “Azobenzene-based optoelectronic transistors for neurohybrid building blocks” (doi: 10.1038/s41467-023-41083-2).
Come può un materiale sintetico imitare il funzionamento di organi del corpo umano?
«Lo sviluppo di nuovi materiali organici capaci di simulare il comportamento delle cellule del nostro corpo rappresenta una via innovativa per il progresso medico-ingegneristico. Il materiale che abbiamo sviluppato riesce a capire quanta luce cade su di esso dandoci indietro un segnale elettrico, in maniera molto simile a ciò che accade nei nostri occhi - spiega Ottavia Bettucci, oggi ricercatrice presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali dell'Università Milano-Bicocca e autore di riferimento di questa ricerca. – Inoltre, il nostro materiale ha anche la capacità di ricordare lo stimolo luminoso con una modalità molto simile a quello che succede nei processi di memoria del nostro cervello».
I dispositivi realizzati con questo materiale, completamente organico e non tossico, funzionano tramite lo scambio di specie cariche: gli ioni. Questo è proprio quello che fa un sistema biologico per controllare determinati processi e scambiare informazioni. Queste caratteristiche permettono una migliore integrazione nei sistemi biologici rispetto ai tradizionali dispositivi al silicio, che sono rigidi e funzionano tramite lo scambio di elettroni.
Quali applicazioni potranno avere questi materiali in futuro?
«Questi chip innovativi potrebbero andare a correggere in futuro i malfunzionamenti dell'occhio e del cervello. L'irradiazione luminosa modifica, infatti, la conduttività del materiale, sia breve che a lungo termine - continua la Dott.ssa Bettucci. - Questo comportamento fa sì che i chip funzionino anche come una sinapsi artificiale che infatti in natura trasmette segnali elettrici, cambiando, ad esempio, le loro intensità e la loro efficienza. Questi processi sono alla base della capacità di apprendimento e di memoria del nostro cervello.»
Anche se il lavoro è ancora un “proof of concept” in un’ottica futura questi dispositivi potrebbero andare a correggere gli errori nell’elaborazione e nella trasmissione delle informazioni che si verificano nelle malattie neurodegenerative come il Parkinson o l’Alzheimer, o a sostenere organi che non funzionano più correttamente.
Questi non sono le uniche applicazioni possibili: c'è anche un risvolto legato alla tecnologia informatica. Infatti, grazie alle loro proprietà optoelettroniche, i chip possono funzionare da hardware per le reti neurali artificiali. Finora i programmi di intelligenza artificiale funzionano imitando il principio dell'autoapprendimento in maniera piuttosto inefficiente. Grazie alle uniche proprietà di questo materiale si può riprodurre il meccanismo di funzionamento di una memoria elettronica. «Alternando gli impulsi luminosi a quelli elettrici abbiamo osservato un meccanismo di "scrittura-cancellazione” del segnale. Il chip quindi si comporta come un'efficiente memoria optoelettronica che però rimane coerente con il comportamento dei neuroni biologici» – conclude la Dott.ssa Bettucci.
Questo lavoro che ha unito la chimica, l'ingegneria e la biologia rappresenta un esempio di come la tecnologia sia in grado di combinare sempre più discipline per aiutarci a risolvere problemi che, a vari livelli, sono presenti nelle nostre vite di tutti i giorni.