科学家们已经开发出一种创新方法，在石墨烯表面构建二维丝蛋白层，这一进展显著提升了其在微电子领域的应用潜力，特别是在可穿戴和植入式健康监测传感器以及存储晶体管的计算技术中。
这项突破性的研究引入了一个无毒、水性且生物相容的新系统，预示着丝绸在奢侈品市场及高科技产业中的革新性应用前景。研究为丝绸基集成电路和可持续电子技术的发展铺平了道路。
丝绸在微电子领域的革命性应用
自古以来，丝绸便是珍贵的贸易商品。如今，它正引领着微电子与计算机科学领域的新方向。
尽管丝蛋白已被用于设计电子产品，但其应用受限，部分原因在于丝纤维结构的不规则性，类似于一团纠结的意大利面。
然而，由美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）领导的研究团队克服了这一挑战。他们在《科学进展》杂志上发表报告称，成功在导电性能卓越的碳基材料——石墨烯上，制备出均匀的二维（2D）丝蛋白片段或“丝素”层。
“这些成果为丝蛋白自组装提供了一种可重复的方法，对基于丝的电子产品设计和制造至关重要，”该研究的主要作者施晨阳指出。“值得注意的是，该系统无毒且水基，这对确保其生物相容性至关重要。”
石墨烯上的丝蛋白组合能够形成一种灵敏、可调的晶体管，这对于可穿戴和植入式健康传感技术而言，是微电子行业高度期待的进步。PNNL团队还预见到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，这些元件使计算机能模拟人脑功能。
丝绸的历史与现代意义
数个世纪以来，中国的蚕丝生产技术一直是严守的秘密，而蚕丝的声誉则通过著名的丝绸之路传播至印度、中东乃至欧洲。到了中世纪，丝绸已成为欧洲市场上地位的标志和渴求的商品。即使在今天，丝绸仍象征着奢华与地位。
那些让真丝织物闻名的基本特性——弹性、耐用性和强度——也使其成为高级材料的理想选择。
丝绸电子的创新与未来方向
“已有众多研究探索使用丝绸调节电子信号，但由于丝绸蛋白的无序性，控制能力有限，”PNNL的巴特尔研究员、华盛顿大学材料科学与工程及化学教授詹姆斯·德·约里奥表示。“因此，借助我们在控制表面材料生长方面的专长，我们思考如何优化界面。”
为此，研究小组精细调控反应条件，以精准方式将单一丝纤维融入水基系统。通过精确控制的实验环境，团队实现了高度有序的二维蛋白质层，这些蛋白质层以自然界常见的平行β-折叠结构排列。进一步的成像研究和理论计算证实，这些薄丝层具有稳定的结构，保留了天然丝的特性。这种微观尺度的电子结构——不足DNA链厚度的一半——为生物电子工业中的微型化趋势提供了支持。
“这类材料非常适合我们所说的场效应，”德·约里奥解释道。“也就是说，它是一个可以依据信号开启或关闭的晶体管开关。若在其中加入抗体，当目标蛋白与之结合时，就能触发晶体管状态的改变。”
实际上，研究人员正计划利用这种原料和技术制造人造丝，并添加功能性蛋白质以增强其实用性和特异性。
此项研究标志着在功能电子元件上精确控制丝层的第一步。未来研究的关键领域包括提升丝绸集成电路的稳定性和导电性能，以及探索丝绸在生物可降解电子产品中的应用潜力，从而推动绿色化学在电子制造业中的广泛应用。