研究人員開發(fā)出了一種在石墨烯上創(chuàng)建二維絲蛋白層的方法，從而提高了石墨烯在微電子領域的應用潛力，特別是在可穿戴和植入式健康傳感器以及計算領域的存儲晶體管方面。這項創(chuàng)新提供了一種無毒、水基和生物兼容的系統(tǒng)，有可能徹底改變蠶絲在奢侈材料和高科技產(chǎn)業(yè)中的應用。這項研究為進一步推進絲綢集成電路和可持續(xù)電子解決方案開辟了道路。

　　單個蠶絲蛋白分子或"蠶絲纖維蛋白"(藍色)沉積在石墨烯表面，周圍環(huán)繞著水(綠色和紅色球體)，并生長成原子精度的二維(2D)薄片。蠶絲纖維的可控沉積可能帶來大量可生物降解的電子設備。資料來源：Mike Perkins | 太平洋西北國家實驗室

　　幾千年來，絲綢一直是價值不菲的商品，但它仍然給人們帶來驚喜。現(xiàn)在，它可能有助于開創(chuàng)微電子學和計算的全新方向。

　　雖然蠶絲蛋白已被應用于設計電子產(chǎn)品中，但目前其應用還很有限，部分原因是蠶絲纖維是一種亂七八糟的意大利面條狀纖維。

　　現(xiàn)在，由美國能源部西北太平洋國家實驗室(PNNL)科學家領導的研究小組已經(jīng)馴服了這種糾結(jié)。他們今天(9 月 18 日)在《科學進展》(Science Advances)雜志上報告說，他們已經(jīng)在石墨烯(一種具有出色導電性能的碳基材料)上形成了一層均勻的二維(2D)蠶絲蛋白片段(或稱"纖維蛋白")層。

　　石墨烯上均勻自組裝的蠶絲纖維素的原子力顯微鏡圖像。圖片來源：James De Yoreo | 太平洋西北國家實驗室

　　"這些成果提供了一種可重復的絲蛋白自組裝方法，這對于設計和制造絲基電子器件至關重要，"該研究的第一作者石晨陽說。"值得注意的是，這一系統(tǒng)是無毒和水基的，這對生物兼容性至關重要。"

　　這種材料組合--石墨烯上的硅--可以形成一種靈敏、可調(diào)的晶體管，是微電子行業(yè)非常需要的可穿戴和植入式健康傳感器。PNNL 團隊還看到了它們作為記憶晶體管或"憶阻器"的關鍵元件用于計算神經(jīng)網(wǎng)絡的潛力。神經(jīng)網(wǎng)絡中使用的憶阻器可以讓計算機模仿人腦的運作方式。

　　幾個世紀以來，蠶絲生產(chǎn)在中國一直是一個嚴守的秘密，而它的名聲則通過著名的絲綢之路貿(mào)易路線傳播到印度、中東，并最終傳播到歐洲。到了中世紀，絲綢已成為一種身份的象征和歐洲市場上夢寐以求的商品。時至今日，絲綢仍與奢華和地位聯(lián)系在一起。

　　絲綢織物的彈性、耐用性和強度等基本特性使其享譽全球，并被廣泛應用于先進材料領域。

　　PNNL 巴特爾研究員、華盛頓大學材料科學與工程教授兼化學教授 James De Yoreo 說："利用蠶絲調(diào)制電子信號的研究很多，但由于蠶絲蛋白質(zhì)天然無序，因此只能進行有限的控制。因此，憑借我們在控制材料表面生長方面的經(jīng)驗，我們在想，'如果我們能制造出更好的界面呢?"

　　為此，研究小組精心控制了反應條件，以精確的方式將單根絲纖維加入到水基體系中。通過精確的實驗室條件，研究小組獲得了高度有序的二維蛋白質(zhì)層，這些蛋白質(zhì)以精確的平行β片狀排列，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補充理論計算表明，薄絲層采用了一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，具有天然絲的特征。這種規(guī)模的電子結(jié)構(gòu)--厚度不到 DNA 鏈的一半--為生物電子工業(yè)中隨處可見的微型化提供了支持。

　　De Yoreo 說："這種材料本身具有我們所說的場效應。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，就會導致晶體管切換狀態(tài)。"

　　事實上，研究人員正計劃利用這種起始材料和技術來制造他們自己的人造絲，并在其中添加功能性蛋白質(zhì)，以提高其實用性和特異性。

　　這項研究邁出了在功能電子元件上可控分層蠶絲的第一步。未來研究的關鍵領域包括提高蠶絲集成電路的穩(wěn)定性和導電性，以及探索蠶絲在可生物降解電子產(chǎn)品中的潛力，從而在電子制造中更多地使用綠色化學。