石墨烯新應用，引領全新發(fā)展方向！

【概要描述】盡管絲蛋白已被用于設計電子產(chǎn)品，但其使用目前受到限制，部分原因是絲纖維是一團亂糟糟的意大利面條狀物。

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發(fā)布時間：2024-09-29
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盡管絲蛋白已被用于設計電子產(chǎn)品，但其使用目前受到限制，部分原因是絲纖維是一團亂糟糟的意大利面條狀物。

現(xiàn)在，美國能源部太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 的科學家領導的研究小組已經(jīng)解決了這一問題。9月18日，研究人員表示已在石墨烯上實現(xiàn)了均勻的二維 (2D) 蠶絲蛋白碎片層，即“絲蛋白”，石墨烯是一種以碳為基礎的材料，具有出色的導電性。相關研究成果以“Two-dimensional silk”為題，發(fā)表于《Scientific Advances》。

原子力顯微鏡圖像顯示絲素蛋白在石墨烯上均勻自組裝。圖片來源：James De Yoreo | 太平洋西北國家實驗室

“這些結(jié)果為絲蛋白自組裝提供了一種可重復的方法，這對于設計和制造絲基電子產(chǎn)品至關重要，”該研究的主要作者Chenyang Shi說。“值得注意的是，該系統(tǒng)無毒且以水為基礎，這對于生物相容性至關重要。”

這種材料組合——絲基石墨烯——可以形成一種靈敏、可調(diào)的晶體管，微電子行業(yè)非常需要這種晶體管，用于可穿戴和可植入的健康傳感器。PNNL團隊還看到了它們作為計算神經(jīng)網(wǎng)絡中記憶晶體管或“憶阻器”的關鍵組件的潛力。用于神經(jīng)網(wǎng)絡的憶阻器使計算機能夠模擬人腦的功能。

單個絲蛋白分子，或稱“絲素蛋白”（藍色），沉積在被水包圍的石墨烯表面（綠色和紅色球體），并生長成原子級精確的二維 (2D) 薄片。絲纖維的控制沉積可產(chǎn)生大量可生物降解的電子設備。圖片來源：Mike Perkins | 太平洋西北國家實驗室

幾個世紀以來，蠶絲生產(chǎn)一直是中國嚴格保密的秘密，而它的名聲則通過著名的絲綢之路貿(mào)易路線傳到了印度、中東和歐洲。到了中世紀，絲綢已經(jīng)成為一種地位的象征，也是歐洲市場上令人垂涎的商品。即使在今天，絲綢仍然與奢華和地位聯(lián)系在一起。

絲綢織物享譽世界的本質(zhì)特性——彈性、耐用性和強度——使其被用于先進材料應用。

“已經(jīng)有很多研究使用蠶絲來調(diào)節(jié)電子信號，但由于蠶絲蛋白天生無序，因此能夠進行的控制非常有限，”太平洋西北國家實驗室的巴特爾研究員、華盛頓大學材料科學與工程教授和化學教授 James De Yoreo 說道。 “因此，憑借我們在控制表面材料生長方面的經(jīng)驗，我們想到‘如果我們能制造出更好的界面會怎樣？’”

為了實現(xiàn)這一目標，該團隊精心控制了反應條件，以精確的方式將單個蠶絲纖維添加到水基系統(tǒng)中。通過精密的實驗室條件，該團隊實現(xiàn)了高度有序的二維蛋白質(zhì)層，這些蛋白質(zhì)層以精確平行的 β 片層排列，這是自然界中最常見的蛋白質(zhì)形狀之一。進一步的成像研究和互補的理論計算表明，薄薄的蠶絲層采用了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，具有天然蠶絲的特征。這種規(guī)模的電子結(jié)構(gòu)（厚度不到 DNA 鏈的一半）支持生物電子行業(yè)中隨處可見的微型化。

“這種材料適合于我們所說的場效應，”De Yoreo 說。“這意味著它是一個晶體管開關，可以根據(jù)信號打開或關閉。如果你在其中添加抗體，那么當目標蛋白質(zhì)結(jié)合時，你就會導致晶體管切換狀態(tài)。”

研究人員正計劃利用這種原材料和技術(shù)來制造自己的人造絲，并在其中添加功能性蛋白質(zhì)以增強其實用性和特異性。

這項研究是控制絲綢在功能電子元件上的分層的第一步。未來研究的重點領域包括提高絲綢集成電路的穩(wěn)定性和導電性，以及探索絲綢在可生物降解電子產(chǎn)品中的潛力，以增加綠色化學在電子制造中的應用。

信息來源：Carbontech

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