研究人員開發了一種在石墨烯上創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感測器以及計算領域的儲存晶體管方面。這項創新提供了一種無毒、水基和生物相容的系統，有可能徹底改變蠶絲在奢華材料和高科技產業中的應用。這項研究為進一步推進絲綢積體電路和永續電子解決方案開闢了道路。

單一蠶絲蛋白分子或”蠶絲纖維蛋白”（藍色）沉積在石墨烯表面，周圍環繞著水（綠色和紅色球體），並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，絲綢一直是價值不斐的商品，但它仍然給人們帶來驚喜。現在，它可能有助於開創微電子學和運算的全新方向。

雖然蠶絲蛋白已應用於設計電子產品中，但目前其應用仍很有限，部分原因是蠶絲纖維是一種亂七八糟的意大利麵條狀纖維。

現在，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馴服了這種糾結。他們今天（9 月18 日）在《科學進展》（Science Advances）雜誌上報告說，他們已經在石墨烯（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（或稱為”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複的絲蛋白自組裝方法，這對於設計和製造絲基電子裝置至關重要，」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–石墨烯上的矽–可以形成一種靈敏、可調的電晶體，是微電子產業非常需要的可穿戴和植入式健康感測器。 PNNL 團隊也看到了它們作為記憶電晶體或”憶阻器”的關鍵元件用於計算神經網路的潛力。神經網路中使用的憶阻器可以讓電腦模仿人腦的運作方式。

幾個世紀以來，蠶絲生產在中國一直是個嚴守的秘密，而它的名聲則透過著名的絲路貿易路線傳播到印度、中東，最後也傳到歐洲。到了中世紀，絲綢已成為一種身分的象徵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連結在一起。

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

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：「利用蠶絲調製電子訊號的研究很多，但由於蠶絲蛋白質天然無序，因此只能進行有限的控制。因此，憑藉我們在控製材料表面生長方面的經驗，我們在想，’如果我們能製造出更好的界面呢？

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水基體系中。透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層，這些蛋白質以精確的平行β片狀排列，這是自然界中最常見的蛋白質形狀之一。進一步的影像研究和補充理論計算表明，薄絲層採用了穩定的結構，具有天然絲的特徵。這種規模的電子結構–厚度不到DNA 鏈的一半–為生物電子產業中隨處可見的微型化提供了支持。

De Yoreo 說：”這種材料本身俱有我們所說的場效應。這意味著它是一個晶體管開關，可以根據信號打開或關閉。如果你在其中添加抗體，那麼當目標蛋白質結合時，就會導致電晶體切換狀態。

事實上，研究人員正計劃利用這種起始材料和技術來製造自己的人造絲，並在其中添加功能性蛋白質，以提高其實用性和特異性。

這項研究邁出了在功能性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積體電路的穩定性和導電性，以及探索蠶絲在可生物降解電子產品中的潛力，從而在電子製造中更多地使用綠色化學。

編譯自/ ScitechDaily