研究人員開(kāi)發(fā)出一種在石墨烯上創(chuàng)建二維絲蛋白層的方法
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-09-20 16:37:33
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研究人員開(kāi)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(lǐng)域的應(yīng)用潛力，特別是在可穿戴和植入式健康傳感器以及計(jì)算領(lǐng)域的存儲(chǔ)晶體管方面。這項(xiàng)創(chuàng)新提供了一種無(wú)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(yīng)用。這項(xiàng)研究為進(jìn)一步推進(jìn)絲綢集成電路和可持續(xù)電子解決方案開(kāi)辟了道路。 單個(gè)蠶絲蛋白分子或"蠶絲纖維蛋白"（藍(lán)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(zhǎng)成原子精度的二維（2D）薄片。蠶絲纖維的可控沉積可能帶來(lái)大量可生物降解的電子設(shè)備。資料來(lái)源：Mike Perkins | 太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 幾千年來(lái)，絲綢一直是價(jià)值不菲的商品，但它仍然給人們帶來(lái)驚喜。現(xiàn)在，它可能有助于開(kāi)創(chuàng)微電子學(xué)和計(jì)算的全新方向。 雖然蠶絲蛋白已被應(yīng)用于設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品中，但目前其應(yīng)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(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)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(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上報(bào)告說(shuō)，他們已經(jīng)在石墨烯（一種具有出色導(dǎo)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(lái)源：James De Yoreo | 太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 "這些成果提供了一種可重復(fù)的絲蛋白自組裝方法，這對(duì)于設(shè)計(jì)和制造絲基電子器件至關(guān)重要，"該研究的第一作者石晨陽(yáng)說(shuō)。"值得注意的是，這一系統(tǒng)是無(wú)毒和水基的，這對(duì)生物兼容性至關(guān)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(tuán)隊(duì)還看到了它們作為記憶晶體管或"憶阻器"的關(guān)鍵元件用于計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的潛力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中使用的憶阻器可以讓計(jì)算機(jī)模仿人腦的運(yùn)作方式。 幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，蠶絲生產(chǎn)在中國(guó)一直是一個(gè)嚴(yán)守的秘密，而它的名聲則通過(guò)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(jì)，絲綢已成為一種身份的象征和歐洲市場(chǎng)上夢(mèng)寐以求的商品。時(shí)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(qiáng)度等基本特性使其享譽(yù)全球，并被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)材料領(lǐng)域。 PNNL 巴特爾研究員、華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程教授兼化學(xué)教授 James De Yoreo 說(shuō)："利用蠶絲調(diào)制電子信號(hào)的研究很多，但由于蠶絲蛋白質(zhì)天然無(wú)序，因此只能進(jìn)行有限的控制。因此，憑借我們?cè)诳刂撇牧媳砻嫔L(zhǎng)方面的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)谙耄?#39;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(yīng)條件，以精確的方式將單根絲纖維加入到水基體系中。通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)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(jiàn)的蛋白質(zhì)形狀之一。進(jìn)一步的成像研究和補(bǔ)充理論計(jì)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(jiàn)的微型化提供了支持。 De Yoreo 說(shuō)："這種材料本身具有我們所說(shuō)的場(chǎng)效應(yīng)。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)，就會(huì)導(dǎo)致晶體管切換狀態(tài)。" 事實(shí)上，研究人員正計(jì)劃利用這種起始材料和技術(shù)來(lái)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(shí)用性和特異性。 這項(xiàng)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(lái)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域包括提高蠶絲集成電路的穩(wěn)定性和導(dǎo)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(xué)。 |
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