研究人员已经开发出一种在石墨烯上创建二维丝蛋白层的方法，增强了其在微电子领域的潜力，特别是在可穿戴和植入式健康传感器以及计算中的存储晶体管方面。
这一创新提供了一种无毒、水性和生物相容性的系统，有可能彻底改变丝绸在奢侈品材料和高科技行业的应用。这项研究为丝绸集成电路和可持续电子解决方案的进一步发展开辟了道路。
丝绸在微电子领域的革命性应用
几千年来，丝绸一直是一种非常有价值的商品。现在，它可能会引领微电子和计算机的一个全新方向。
虽然，丝蛋白已被用于设计电子产品，但目前它的使用受到限制，部分原因是丝纤维是一团凌乱的意大利面状纤维。
现在，由美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）的科学家领导的一个研究小组已经解决了这个问题。他们在《科学进展》杂志上报告说，他们已经在石墨烯（一种因其优异的导电性而有用的碳基材料）上实现了一层均匀的二维（2D）丝蛋白片段或“丝素”层。
“这些结果为丝蛋白的自组装提供了一种可重复的方法，这对于设计和制造基于丝的电子产品至关重要，”该研究的主要作者施晨阳（音译）说。“重要的是要注意，这个系统是无毒的，是水基的，这对生物相容性至关重要。”
这种材料的组合 —— 石墨烯上的丝 —— 可以形成一种敏感的、可调谐的晶体管，这是微电子工业对可穿戴和植入式健康传感器的高度期望。PNNL的团队也看到了它们在计算神经网络中作为存储晶体管或“忆阻器”的关键组件的潜力。记忆电阻器用于神经网络，使计算机能够模仿人脑的功能。
丝绸的历史和现代意义
几个世纪以来，蚕丝生产在中国一直是一个严格保密的秘密，而蚕丝的名声通过著名的丝绸之路贸易路线传到了印度、中东，最终传到了欧洲。到了中世纪，丝绸已经成为欧洲市场上地位的象征和令人垂涎的商品。即使在今天，丝绸仍然与奢华和地位联系在一起。
使真丝织物闻名于世的那些基本特性 —— 弹性、耐用性和强度 —— 也使其在高级材料中得到了应用。
丝绸电子的创新与未来方向
“已经有很多研究使用丝绸作为调制电子信号的一种方式，但由于丝绸蛋白质天生是无序的，所以只有这么多的控制是可能的，”詹姆斯·德·约里奥说，他是PNNL的巴特尔研究员，同时也是华盛顿大学材料科学与工程教授和化学教授。“因此，凭借我们在控制表面材料生长方面的经验，我们想，如果我们能做出更好的界面会怎么样？”
为了做到这一点，研究小组仔细控制了反应条件，以精确的方式将单个丝纤维添加到水基系统中。通过精确的实验室条件，该团队实现了高度组织的二维蛋白质层，这些蛋白质层以精确的平行β-片包装，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互补的理论计算表明，薄丝层具有天然丝特征的稳定结构。这种规模的电子结构 —— 还不到DNA链厚度的一半 —— 支持了生物电子工业中无处不在的小型化。
“这种类型的材料适合我们所说的场效应，”德·约里奥说。“这意味着它是一个晶体管开关，可以根据信号打开或关闭。如果你在其中加入抗体，那么当目标蛋白结合时，你就会导致晶体管切换状态。”
事实上，研究人员正计划使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，以增强其实用性和特异性。
这项研究代表了在功能电子元件上控制丝层的第一步。未来研究的关键领域包括提高丝绸集成电路的稳定性和导电性，以及探索丝绸在生物可降解电子产品中的潜力，以增加绿色化学在电子制造中的应用。