Naukowcy opracowali metodę tworzenia na skórze dwuwymiarowej warstwy białek jedwabiu grafenzwiększając jego potencjał w mikroelektronice, w szczególności w zakresie przenośnych i wszczepialnych czujników stanu zdrowia oraz tranzystorów pamięci w informatyce.
Ta innowacja oferuje nietoksyczny, oparty na wodzie i biokompatybilny system, potencjalnie rewolucjonizujący zastosowanie jedwabiu w materiałach luksusowych i przemyśle zaawansowanych technologii. Badania otwierają ścieżki dalszego postępu w zakresie układów scalonych jedwabiu i zrównoważonych rozwiązań elektronicznych.
Rewolucyjne zastosowania jedwabiu w mikroelektronice
Jedwab, który od tysięcy lat jest niezwykle cennym towarem, nadal zaskakuje. Teraz może pomóc w wyznaczeniu zupełnie nowego kierunku w mikroelektronice i informatyce.
Choć białko jedwabiu znalazło zastosowanie w designerskiej elektronice, jego zastosowanie jest obecnie częściowo ograniczone, ponieważ włókna jedwabiu stanowią nieuporządkowaną plątaninę pasm przypominających spaghetti.
Teraz zespół badawczy kierowany przez naukowców z Laboratorium Narodowego Pacific Northwest (PNNL) Departamentu Energii ujarzmił tę plątaninę. Relacjonują to dzisiaj (18 września) w czasopiśmie Postęp nauki że udało im się uzyskać jednolitą dwuwymiarową (2D) warstwę fragmentów białek jedwabiu, czyli „fibroin”, na grafenie – materiale na bazie węgla, który ma doskonałe przewodnictwo elektryczne.
„Wyniki te dostarczają powtarzalnej metody samoorganizacji białek jedwabiu, która jest niezbędna do projektowania i wytwarzania elektroniki na bazie jedwabiu” – powiedział Chenyang Shi, główny autor badania. „Należy zauważyć, że ten system jest nietoksyczny i na bazie wody, co ma kluczowe znaczenie dla biokompatybilności”.
Ta kombinacja materiałów — jedwab na grafenie — może stworzyć czuły, przestrajalny tranzystor, wysoce pożądany przez przemysł mikroelektroniki do noszenia i wszczepialnych czujników zdrowia. Zespół PNNL dostrzega także potencjał ich zastosowania jako kluczowego elementu tranzystorów pamięci, czyli „memrystorów”, w obliczeniowych sieciach neuronowych. Memrystory stosowane w sieciach neuronowych umożliwiają komputerom naśladowanie funkcjonowania ludzkiego mózgu.
Historyczne i współczesne znaczenie jedwabiu
Przez wieki produkcja jedwabiu była w Chinach pilnie strzeżoną tajemnicą, a jej sława rozprzestrzeniła się dzięki słynnym szlakom handlowym Jedwabnego Szlaku do Indii, na Bliski Wschód i ostatecznie do Europy. W średniowieczu jedwab stał się symbolem statusu i pożądanym towarem na rynkach europejskich. Nawet dzisiaj jedwab kojarzy się z luksusem i statusem.
Te same podstawowe właściwości, które sprawiają, że tkanina jedwabna jest znana na całym świecie – elastyczność, trwałość i wytrzymałość – doprowadziły do jej zastosowania w zaawansowanych materiałach.
Innowacje i przyszłe kierunki w Silk Electronics
„Przeprowadzono wiele badań nad wykorzystaniem jedwabiu jako sposobu modulowania sygnałów elektronicznych, ale ponieważ białka jedwabiu są w sposób naturalny nieuporządkowane, możliwa jest tylko taka kontrola”, powiedział James De Yoreo, członek Battelle Fellow w PNNL z podwójną nominacją jako profesor nauk o materiałach i inżynierii oraz chemii na Uniwersytecie im Uniwersytet Waszyngtoński. „Więc dzięki naszemu doświadczeniu w kontrolowaniu wzrostu materiału na powierzchniach pomyśleliśmy: «a co, jeśli uda nam się stworzyć lepszy interfejs?»”
W tym celu zespół dokładnie kontrolował warunki reakcji, dodając w precyzyjny sposób pojedyncze włókna jedwabiu do systemu na bazie wody. Dzięki precyzyjnym warunkom laboratoryjnym zespołowi udało się uzyskać wysoce zorganizowaną dwuwymiarową warstwę białek upakowanych w precyzyjnie równoległe arkusze β, będące jednym z najpowszechniejszych kształtów białek w przyrodzie. Dalsze badania obrazowe i uzupełniające obliczenia teoretyczne wykazały, że cienka warstwa jedwabiu przyjmuje stabilną strukturę o cechach występujących w naturalnym jedwabiu. Struktura elektroniczna w tej skali – o grubości mniejszej niż połowa nici DNA – wspiera miniaturyzację spotykaną wszędzie w przemyśle bioelektronicznym.
„Ten rodzaj materiału nadaje się do powstawania tak zwanych efektów polowych” – powiedział De Yoreo. „Oznacza to, że jest to przełącznik tranzystorowy, który włącza się i wyłącza w odpowiedzi na sygnał. Jeśli dodasz do niego, powiedzmy, przeciwciało, to kiedy docelowe białko zwiąże się, spowodujesz zmianę stanów tranzystora.
Rzeczywiście naukowcy planują wykorzystać ten materiał wyjściowy i technikę do stworzenia własnego sztucznego jedwabiu z dodatkiem białek funkcjonalnych w celu zwiększenia jego użyteczności i specyficzności.
Badanie to stanowi pierwszy krok w kontrolowanym nakładaniu warstw jedwabiu na funkcjonalne komponenty elektroniczne. Kluczowe obszary przyszłych badań obejmują poprawę stabilności i przewodności układów scalonych z jedwabiem oraz badanie potencjału jedwabiu w biodegradowalnej elektronice w celu zwiększenia wykorzystania zielonej chemii w produkcji elektroniki.
Referencja: „Dwuwymiarowy jedwab” 18 września 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.ado4142
Oprócz De Yoreo współautorami badania byli naukowiec z PNNL zajmujący się materiałami, Shuai Zhang i Xiang Yang Liu z Uniwersytetu Xiamen w Xiamen w Chinach. Inni współautorzy to Marlo Zorman z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle; Xiao Zhao i Miquel B. Salmeron z Lawrence Berkeley National Laboratory; i Jim Pfaendtner z Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej.
Badanie to zostało wsparte przez program Biura Naukowego DOE, Podstawowe nauki o energii. Symulacje dynamiki molekularnej i pomiary mikroskopii skaningowej z sondą Kelvina były wspierane przez program DOE BES Energy Frontiers Research Centers za pośrednictwem CSSAS: Centrum Nauk o Syntezie Across Scales na Uniwersytecie Waszyngtońskim.
