石墨烯新應(yīng)用，引領(lǐng)全新發(fā)展方向！

【概要描述】盡管絲蛋白已被用于設(shè)計(jì)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(tuán)亂糟糟的意大利面條狀物。

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發(fā)布時(shí)間：2024-09-29
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盡管絲蛋白已被用于設(shè)計(jì)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(tuán)亂糟糟的意大利面條狀物。

現(xiàn)在，美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL) 的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)解決了這一問(wèn)題。9月18日，研究人員表示已在石墨烯上實(shí)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(chǔ)的材料，具有出色的導(dǎo)電性。相關(guān)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(lái)源：James De Yoreo | 太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

“這些結(jié)果為絲蛋白自組裝提供了一種可重復(fù)的方法，這對(duì)于設(shè)計(jì)和制造絲基電子產(chǎn)品至關(guān)重要，”該研究的主要作者Chenyang Shi說(shuō)。“值得注意的是，該系統(tǒng)無(wú)毒且以水為基礎(chǔ)，這對(duì)于生物相容性至關(guān)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(tuán)隊(duì)還看到了它們作為計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中記憶晶體管或“憶阻器”的關(guān)鍵組件的潛力。用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的憶阻器使計(jì)算機(jī)能夠模擬人腦的功能。

單個(gè)絲蛋白分子，或稱(chēng)“絲素蛋白”（藍(lán)色），沉積在被水包圍的石墨烯表面（綠色和紅色球體），并生長(zhǎng)成原子級(jí)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(shè)備。圖片來(lái)源：Mike Perkins | 太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，蠶絲生產(chǎn)一直是中國(guó)嚴(yán)格保密的秘密，而它的名聲則通過(guò)著名的絲綢之路貿(mào)易路線(xiàn)傳到了印度、中東和歐洲。到了中世紀(jì)，絲綢已經(jīng)成為一種地位的象征，也是歐洲市場(chǎng)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(yù)世界的本質(zhì)特性——彈性、耐用性和強(qiáng)度——使其被用于先進(jìn)材料應(yīng)用。

“已經(jīng)有很多研究使用蠶絲來(lái)調(diào)節(jié)電子信號(hào)，但由于蠶絲蛋白天生無(wú)序，因此能夠進(jìn)行的控制非常有限，”太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的巴特爾研究員、華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程教授和化學(xué)教授 James De Yoreo 說(shuō)道。 “因此，憑借我們?cè)诳刂票砻娌牧仙L(zhǎng)方面的經(jīng)驗(yàn)，我們想到‘如果我們能制造出更好的界面會(huì)怎樣？’”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)精心控制了反應(yīng)條件，以精確的方式將單個(gè)蠶絲纖維添加到水基系統(tǒng)中。通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)室條件，該團(tuán)隊(duì)實(shí)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(jiàn)的蛋白質(zhì)形狀之一。進(jìn)一步的成像研究和互補(bǔ)的理論計(jì)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(jiàn)的微型化。

“這種材料適合于我們所說(shuō)的場(chǎng)效應(yīng)，”De Yoreo 說(shuō)。“這意味著它是一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)，可以根據(jù)信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉。如果你在其中添加抗體，那么當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)，你就會(huì)導(dǎo)致晶體管切換狀態(tài)。”

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

這項(xiàng)研究是控制絲綢在功能電子元件上的分層的第一步。未來(lái)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域包括提高絲綢集成電路的穩(wěn)定性和導(dǎo)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(xué)在電子制造中的應(yīng)用。

信息來(lái)源：Carbontech

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