2D-Seidenproteinschichten auf Graphen ebnen den Weg für fortschrittliche Mikroelektronik und Computer

Seide ist seit Tausenden von Jahren ein äußerst wertvolles Gut und überrascht immer noch. Jetzt könnte sie dazu beitragen, eine völlig neue Richtung in der Mikroelektronik und Computertechnik einzuschlagen.

Obwohl Seidenprotein in Designer-Elektronik eingesetzt wird, ist seine Nutzung derzeit teilweise deshalb eingeschränkt, weil Seidenfasern ein unordentliches Gewirr spaghettiartiger Stränge sind.

Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums das Gewirr entschärft. Sie Bericht in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte dass sie eine gleichmäßige zweidimensionale (2D) Schicht aus Seidenproteinfragmenten oder „Fibroinen“ auf Graphen erreicht haben, einem kohlenstoffbasierten Material, das aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit nützlich ist.

„Diese Ergebnisse liefern eine reproduzierbare Methode zur Selbstassemblierung von Seidenproteinen, die für die Entwicklung und Herstellung seidenbasierter Elektronik von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Chenyang Shi, der Hauptautor der Studie. „Es ist wichtig zu beachten, dass dieses System ungiftig und auf Wasserbasis ist, was für die Biokompatibilität entscheidend ist.“

Diese Materialkombination – Seide auf Graphen – könnte einen empfindlichen, abstimmbaren Transistor bilden, der in der Mikroelektronikindustrie für tragbare und implantierbare Gesundheitssensoren sehr gefragt ist. Das PNNL-Team sieht auch Potenzial für die Verwendung als Schlüsselkomponente von Speichertransistoren oder „Memristoren“ in neuronalen Computernetzwerken. Memristoren, die in neuronalen Netzwerken verwendet werden, ermöglichen es Computern, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachzuahmen.

Die Seidenstraße

Jahrhundertelang war die Seidenraupenproduktion in China ein streng gehütetes Geheimnis, während sich ihr Ruhm über die berühmten Handelsrouten der Seidenstraße nach Indien, in den Nahen Osten und schließlich nach Europa verbreitete. Im Mittelalter war Seide auf den europäischen Märkten zu einem Statussymbol und einer begehrten Ware geworden. Auch heute noch wird Seide mit Luxus und Status assoziiert.

Dieselben Eigenschaften, die Seidenstoffe weltberühmt machen – Elastizität, Haltbarkeit und Festigkeit – haben zu ihrer Verwendung in modernen Werkstoffanwendungen geführt.

„Es wurde viel über die Verwendung von Seide als Möglichkeit zur Modulation elektronischer Signale geforscht, aber weil Seidenproteine ​​von Natur aus ungeordnet vorliegen, ist die Kontrolle nur in begrenztem Umfang möglich“, sagte James De Yoreo, ein Battelle Fellow am PNNL und gleichzeitig Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie für Chemie an der University of Washington.

„Mit unserer Erfahrung in der Kontrolle des Materialwachstums auf Oberflächen dachten wir uns: ‚Was wäre, wenn wir eine bessere Schnittstelle schaffen könnten?‘“

Zu diesem Zweck kontrollierte das Team die Reaktionsbedingungen sorgfältig und fügte dem wasserbasierten System auf präzise Weise einzelne Seidenfasern hinzu. Unter präzisen Laborbedingungen erreichte das Team eine hochorganisierte 2D-Schicht aus Proteinen, die in präzise parallele β-Faltblätter gepackt sind, eine der häufigsten Proteinformen in der Natur.

Weitere bildgebende Untersuchungen und ergänzende theoretische Berechnungen zeigten, dass die dünne Seidenschicht eine stabile Struktur mit Merkmalen natürlicher Seide annimmt. Eine elektronische Struktur in dieser Größenordnung – weniger als die Hälfte der Dicke eines DNA-Strangs – unterstützt die Miniaturisierung, die überall in der Bioelektronik-Industrie zu beobachten ist.

„Diese Art von Material eignet sich für das, was wir Feldeffekte nennen“, sagte De Yoreo. „Das bedeutet, dass es sich um einen Transistorschalter handelt, der als Reaktion auf ein Signal ein- oder ausgeschaltet wird. Wenn Sie beispielsweise einen Antikörper hinzufügen, bewirkt die Bindung eines Zielproteins, dass ein Transistor seinen Zustand wechselt.“

Tatsächlich planen die Forscher, dieses Ausgangsmaterial und diese Technik zu nutzen, um ihre eigene Kunstseide herzustellen, der funktionelle Proteine ​​hinzugefügt werden sollen, um ihre Nützlichkeit und Spezifität zu erhöhen.

Diese Studie stellt den ersten Schritt zur kontrollierten Seidenbeschichtung funktionaler elektronischer Komponenten dar. Zu den wichtigsten Bereichen künftiger Forschung gehören die Verbesserung der Stabilität und Leitfähigkeit seidenintegrierter Schaltkreise und die Erforschung des Potenzials von Seide in biologisch abbaubarer Elektronik, um den Einsatz umweltfreundlicher Chemie in der Elektronikfertigung zu steigern.