研究人员开发出了一种在石墨烯上创建二维丝蛋白层的方法，从而提高了石墨烯在微电子领域的应用潜力，特别是在可穿戴和植入式健康传感器以及计算领域的存储晶体管方面。这项创新提供了一种无毒、水基和生物兼容的系统，有可能彻底改变蚕丝在奢侈材料和高科技产业中的应用。这项研究为进一步推进丝绸集成电路和可持续电子解决方案开辟了道路。
单个蚕丝蛋白分子或”蚕丝纤维蛋白”（蓝色）沉积在石墨烯表面，周围环绕着水（绿色和红色球体），并生长成原子精度的二维（2D）薄片。蚕丝纤维的可控沉积可能带来大量可生物降解的电子设备。资料来源：Mike Perkins | 太平洋西北国家实验室
几千年来，丝绸一直是价值不菲的商品，但它仍然给人们带来惊喜。现在，它可能有助于开创微电子学和计算的全新方向。
虽然蚕丝蛋白已被应用于设计电子产品中，但目前其应用还很有限，部分原因是蚕丝纤维是一种乱七八糟的意大利面条状纤维。
现在，由美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）科学家领导的研究小组已经驯服了这种纠结。他们今天（9 月 18 日）在《科学进展》（Science Advances）杂志上报告说，他们已经在石墨烯（一种具有出色导电性能的碳基材料）上形成了一层均匀的二维（2D）蚕丝蛋白片段（或称”纤维蛋白”）层。
石墨烯上均匀自组装的蚕丝纤维素的原子力显微镜图像。图片来源：James De Yoreo | 太平洋西北国家实验室
“这些成果提供了一种可重复的丝蛋白自组装方法，这对于设计和制造丝基电子器件至关重要，”该研究的第一作者石晨阳说。”值得注意的是，这一系统是无毒和水基的，这对生物兼容性至关重要。”
这种材料组合–石墨烯上的硅–可以形成一种灵敏、可调的晶体管，是微电子行业非常需要的可穿戴和植入式健康传感器。PNNL 团队还看到了它们作为记忆晶体管或”忆阻器”的关键元件用于计算神经网络的潜力。神经网络中使用的忆阻器可以让计算机模仿人脑的运作方式。
几个世纪以来，蚕丝生产在中国一直是一个严守的秘密，而它的名声则通过著名的丝绸之路贸易路线传播到印度、中东，并最终传播到欧洲。到了中世纪，丝绸已成为一种身份的象征和欧洲市场上梦寐以求的商品。时至今日，丝绸仍与奢华和地位联系在一起。
丝绸织物的弹性、耐用性和强度等基本特性使其享誉全球，并被广泛应用于先进材料领域。
PNNL 巴特尔研究员、华盛顿大学材料科学与工程教授兼化学教授 James De Yoreo 说：”利用蚕丝调制电子信号的研究很多，但由于蚕丝蛋白质天然无序，因此只能进行有限的控制。因此，凭借我们在控制材料表面生长方面的经验，我们在想，’如果我们能制造出更好的界面呢？'”
为此，研究小组精心控制了反应条件，以精确的方式将单根丝纤维加入到水基体系中。通过精确的实验室条件，研究小组获得了高度有序的二维蛋白质层，这些蛋白质以精确的平行β片状排列，这是自然界中最常见的蛋白质形状之一。进一步的成像研究和补充理论计算表明，薄丝层采用了一种稳定的结构，具有天然丝的特征。这种规模的电子结构–厚度不到 DNA 链的一半–为生物电子工业中随处可见的微型化提供了支持。
De Yoreo 说：”这种材料本身具有我们所说的场效应。这意味着它是一个晶体管开关，可以根据信号打开或关闭。如果你在其中添加抗体，那么当目标蛋白质结合时，就会导致晶体管切换状态。”
事实上，研究人员正计划利用这种起始材料和技术来制造他们自己的人造丝，并在其中添加功能性蛋白质，以提高其实用性和特异性。
这项研究迈出了在功能电子元件上可控分层蚕丝的第一步。未来研究的关键领域包括提高蚕丝集成电路的稳定性和导电性，以及探索蚕丝在可生物降解电子产品中的潜力，从而在电子制造中更多地使用绿色化学。
Journal Reference:
Chenyang Shi, Marlo Zorman, Xiao Zhao, Miquel B. Salmeron, Jim Pfaendtner, Xiang Yang Liu, Shuai Zhang, James J. De Yoreo. Two-dimensional silk. Science Advances, 2024; 10 (38) DOI: 10.1126/sciadv.ado4142
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